Практическая работа

«Сравнительное описание природной системы и агроэкосистемы».

Цель: продолжить развивать умение сравнивать на основе анализа естественного биогеоценоза и агроценоза; объяснять причины выявленного сходства и различия.

2. Заполнить таблицу «Сравнение природной системы (биогеоценоза) и агроэкосистемы».

Сравнение биогеоценоза и агроценоза.

3. По критериям сравнения и рисункам сделайте краткую характеристику экосистемы пруд

· Найдите примеры взаимоотношений между организмами, населяющими экосистему, (хищничество, конкуренция, симбиоз…и т.д.) проиллюстрировав ответ соответствующими примерами

· изобразить 2-3 пищевые цепи, предположительно имеющие место в данной экосистеме

· Привести примеры 2-3 приспособлений растительных или животных организмов к недостатку действия какого-либо абиотического фактора

· Приведите примеры продуцентов, консументов и редуцентов этих экосистем

Агроэкосистемы или агроценозы.

Хозяйственная деятельность людей – мощный фактор преобразования природы. В результате этой деятельности формируются своеобразные биогеоценозы. К числу их можно отнести, например, агроценозы, представляющие собой искусственные биогеоценозы, возникающие в результате сельскохозяйственной деятельности человека. Примерами могут служить искусственно создаваемые луга, поля, пастбища. При создании таких биогеоценозов человек широко применяет разнообразные агроприемы: посев высокопродуктивных трав, мелиорацию (при избыточном увлажнении), внесение удобрений, различные способы обработки почв, иногда искусственное орошение и т.п. К числу создаваемых биогеоценозов можно отнести также парки, плодовые сады и ягодники, лесные насаждения и т.д.

При создании искусственных биогеоценозов необходимо полнее учитывать формы взаимоотношений, которые складываются в таких сообществах между их компонентами и почвой. Особенно важно учитывать свойства почвы, необходимость ее охраны от разрушения ветром и водой (эрозии), сохранения естественной структуры и целостности почвенного покрова и др.

Высокая численность растений одного вида на значительных площадях может привести к тому, что питающиеся этими растениями насекомые, которые в естественных биогеоценозах встречались редко, сильно размножатся и станут опасными вредителями возделываемых культур. Например, свекловичный долгоносик на естественных лугах питается немногочисленными видами растений семейства бурачниковых, не причиняя им большого вреда. Положение в корне изменилось, когда была введена в культуру сахарная свекла, занявшая огромные площади. «Безобидный» свекловичный долгоносик превратился в массового вредителя одной из важнейших сельскохозяйственных культур.

Создаваемые человеком искусственные биогеоценозы требуют неустанного внимания и активного вмешательства в их жизнь. При высокой агротехнике и учете взаимодействия компонентов агроценоза они могут быть высокопродуктивными, как например, искусственные луговые угодья, лесонасаждения и т.п.

Между естественными и искусственными биогеоценозами наряду со сходством существуют и различия, которые важно учитывать в хозяйственной деятельности человека.

Естественные биогеоценозы обычно слагаются из большого количества видов. Они представляют из себя экологические системы, которые складываются в природе под действием естественного отбора. Последний отметает все слабо приспособленные формы организмов. В результате складывается сложная, относительно стойкая экологическая система, способная к саморегуляции. В естественных биогеоценозах осуществляется круговорот веществ, в результате которого вещества, потребляемые растениями, возвращаются в почву.

В создаваемых человеком искусственных биогеоценозах – агроценозах – компоненты подбираются исходя из хозяйственной ценности. Здесь ведущий фактор не естественный, а искусственный отбор. Через искусственный отбор и другие агротехнические мероприятия человек стремится получить максимальную биологическую продуктивность (урожай). В искусственных биогеоценозах значительная часть питательных веществ выносится с урожаем из системы и естественный круговорот веществ не осуществляется. Наблюдается пониженное разнообразие входящих в агроценоз видов, т.к. обычно культивируют один или несколько видов (сортов) растений, что приводит к значительному обеднению видового состава животных, грибов, бактерий. В агроценозах наблюдается также пониженная способность культурных растений противостоять конкурентам и вредителям. Культурные виды так сильно изменены селекцией в пользу человека, что без его поддержки не могут выдержать борьбу за существование.

В естественных биогеоценозах источником энергии является Солнце. В агроценозах наряду с этим (естественным) источником энергии человек вносит удобрения, без которых высокая биологическая продуктивность не может быть реализована. Агроценозы поддерживаются человеком посредством больших затрат энергии (мускульной энергии людей и животных, работы сельскохозяйственных машин, связанной энергии удобрений, затрат на дополнительный полив и т. п.). Таким образом, они существуют и дают высокую биологическую продуктивность благодаря непрерывному вмешательству и поддержке человека, без участия которого они существовать не могут.

Экосистема пруда.

Экосистема аквариума.

Природные экосистемы	Агроэкосистемы
Первичные естественные элементарные единицы биосферы, сформировавшиеся в ходе эволюции	Вторичные трансформированные человеком искусственные элементарные единицы биосферы
Сложные системы со значительным количеством видов животных и растений, в которых господствуют популяции нескольких видов. Им свойственно устойчивое динамическое равновесие, достигаемое саморегуляцией	Упрощенные системы с господством популяций одного вида растения или животного. Они устойчивы и характеризуются непостоянством структуры своей биомассы
Продуктивность определяется приспособительными особенностями организмов, участвующих в круговороте веществ	Продуктивность определяется уровнем хозяйственной деятельности и зависит от экономических и технических возможностей
Первичная продукция используется животными и участвует в круговороте веществ. «Потребление» происходит почти одновременно с «производстом»	Урожай собирают для удовлетворения потребностей человека и на корм скоту. Живое вещество некоторое время накапливается, не расходуясь. Наиболее высокая продуктивность развивается лишь на короткое время

В агроценозах значительно чаще происходит чрезмерное увеличение отдельных видов, названное Ч. Элтоном «экологическим взрывом». Из истории известны такие, например, «экологические взрывы»: в прошлом столетии грибок фитофторы уничтожил картофель во Франции и вызвал голод, а колорадский жук распространился в Америке до Атлантического океана и в начале XX в. проник в Западную Европу, в 40-х гг. – в европейскую часть России. В тяжелое послевоенное время этот жук буквально «очищал» наши поля, поскольку мы были не готовы к его нашествию.

Чтобы не происходило таких явлений, необходима искусственная регуляция численности вредителей с быстрым подавлением тех, которые только пытаются выйти из-под контроля. При этом часто мнение человека не совпадает с «мнением» природы об избыточной численности того или иного вредителя. Так, с позиций естественного отбора стабилизация численности яблоневой плодожорки на некотором уровне не вредит существованию яблони как вида, но человеку нужно гораздо больше качественных плодов для питания. Поэтому в сельскохозяйственной практике он применяет такие средства для подавления численности вредителей и в таком количестве, что они воздействуют во множество раз сильнее, чем природные абиотические и биотические регуляторы.

Упрощение природного окружения человека, с экологических позиций, очень опасно. Поэтому нельзя превращать весь ландшафт в агрохозяйственный, необходимо сохранять и умножать его многообразие, оставляя нетронутые заповедные участки, которые могли бы быть источником видов для восстанавливающихся в сукцессионных рядах сообществ.

Индустриально-городские экосистемы

О процессах урбанизации

Урбанизация – это рост и развитие городов, увеличение доли городского населения в стране за счет сельской местности, процесс повышения роли городов в развитии общества. Рост численности населения и его плотности – характерная черта городов. Исторически самым первым городом с миллионным населением был Рим во времена Юлия Цезаря (44–10 гг. до н. э.). Самым большим городом мира в наше время является Мехико – 14 млн человек по данным на 1990 г., в 2000 г. в нем ожидался 31 млн. К 2000 г. рубежа в 16 млн человек должны были достигнуть и даже превысить его такие города, как Бомбей, Каир, Джакарта и Карачи, рубежа в 20 млн и выше – Сан-Паулу, Калькутта, Сеул. Население Москвы к концу в 2002 г. составляет более 10 млн человек

Общая площадь урбанизированных территорий Земли в 1980 г. составила 4,69 млн км 2 , а к 2007 г. она достигнет 19 млн км 2 – 12,8% всей и более 20% жизнепригодной территории суши. К 2030 г. практически все население мира будет жить в поселках городского типа (Реймерс, 1990).

Плотность населения в городах, особенно крупных, составляет от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч человек на 1 км 2 , а в Гонконге – 1500 тыс. на 1 км 2 . Как известно, на человека не распространяется действие факторов, зависящих от плотности популяции, подавляющих размножение животных: интенсивность роста населения ими автоматически не снижается. Но объективно высокая плотность ведет к ухудшению здоровья, к появлению специфических болезней, связанных, например, с загрязнением среды, делает обстановку эпидемиологически опасной в случае вольного или невольного нарушения санитарных норм, и др.

Особенно интенсивно протекают процессы урбанизации в развивающихся странах, о чем красноречиво свидетельствуют вышеприведенные показатели роста численности городов в ближайшие годы.

Человек сам создает эти сложные урбанистические системы, преследуя благую цель – улучшить условия жизни, и не только просто «оградившись» от лимитирующих факторов, но и создав для себя новую искусственную среду, повышающую комфортность жизни. Однако это ведет к отрыву человека от естественной природной обстановки и к нарушению природных экосистем.

Урбанистические системы

Урбанистическая система (урбосистема) – «неустойчивая природно-антропогенная система, состоящая из архитектурно-строительных объектов и резко нарушенных естественных экосистем» (Реймерс, 1990).

По мере развития города в нем все более дифференцируются его функциональные зоны – это промышленная, селитебная, лесопарковая. Промышленные зоны – это территории сосредоточения промышленных объектов различных отраслей (металлургической, химической, машиностроительной, электронной и др.)- Они являются основными источниками загрязнения окружающей среды.

Селитебные зоны – это территории сосредоточения жилых домов, административных зданий, объектов культуры, просвещения и т. п.

Лесопарковая – это зеленая зона вокруг города, окультуренная человеком, т. е. приспособленная для массового отдыха, спорта, развлечения. Возможны ее участки и внутри городов, но обычно здесь городские парки – древесные насаждения в городе, занимающие достаточно обширные территории и тоже служащие горожанам для отдыха. В отличие от естественных лесов и даже лесопарков городские парки и подобные им более мелкие посадки в городе (скверы, бульвары) не являются самоподдерживающимися и саморегулируемыми системами.

Лесопарковая зона, городские парки и другие участки территории, отведенные и специально приспособленные для отдыха людей, называют рекреационными зонами (территориями, участками и т. п.).

Углубление процессов урбанизации ведет к усложнению инфраструктуры города. Значительное место начинает занимать транспорт и транспортные сооружения (автомобильные дороги, автозаправочные станции, гаражи, станции обслуживания, железные дороги со своей сложной инфраструктурой, в том числе подземные – метрополитен; аэродромы с комплексом обслуживания и др.). Транспортные системы пересекают все функциональные зоны города и оказывают влияние на всю городскую среду (урбосреду).

Среда, окружающая человекам этих условиях, – это совокупность абиотической и социальных сред, совместно и непосредственно оказывающих влияние на людей и их хозяйство. Одновременно, по Н. Ф. Реймерсу (1990), ее можно делить на собственно природную среду и преобразованную человеком природную среду (антропогенные ландшафты вплоть до искусственного окружения людей – здания, асфальт дорог, искусственное освещение и т. д., т. е. до искусственной среды). В целом же среда городская и населенных пунктов городского типа – это часть техносферы, т. е. биосферы, коренным образом преобразованной человеком в технические и техногенные объекты.

Помимо наземной части ландшафта в орбиту хозяйственной деятельности человека попадает и его литогенная основа, т. е. поверхностная часть литосферы, которую принято называть геологической средой (Е. М. Сергеев, 1979). Геологическая среда – это горные породы, подземные воды, на которые оказывает воздействие хозяйственная деятельность человека (рис. 10.2).

На городских территориях, в урбоэкосистемах, можно выделить группу систем, отражающую всю сложность взаимодействия зданий и сооружений с окружающей средой, которые называют природно-техническими системами (Трофимов, Епишин, 1985) (рис. 10.2). Они теснейшим образом связаны с антропогенными ландшафтами, с их геологическим строением и рельефом.

Таким образом, урбосистемы – это средоточие населения, жилых и промышленных зданий и сооружений. Существование урбосистем зависит от энергии горючих ископаемых и атомноэнергетического сырья, искусственно регулируется и поддерживается человеком.

Среда урбосистем, как ее географическая, так и геологическая части, наиболее сильно изменена и по сути дела стала искусственной, здесь возникают проблемы утилизации и реутилизации вовлекаемых в оборот природных ресурсов, загрязнения и очистки окружающей среды, здесь происходит все большая изоляция хозяйственно-производственных циклов от природного обмена веществ (биогеохимических оборотов) и потока энергии в природных экосистемах. И, наконец, именно здесь наибольшая плотность населения и искусственная среда, которые угрожают не только здоровью человека, но и выживанию всего человечества. Здоровье человека – индикатор качества этой среды.

Контрольные вопросы

1. Какой принцип положен Ю. Одумом в основу выделения четырех фундаментальных типов экосистем? Перечислите эти типы.

2. Что характерно для первого и второго типа экосистем (природных)?

3. Чем отличается третий тип экосистем (агроэкосистем) от похожих на них природных экосистем?

4. В чем особенности энергетики чевертого типа экосистем (индустриально-городских)?

5. Что такое урбанизация и урбанистические системы?

6. Что понимается под природно-технической системой и искусственной средой?

Составляющими биогеоценоза и агроценоза являются одинаковые компоненты среды. В той и другой системе живые организмы объединены территориальными и пищевыми связями. Но в каждом случае можно заметить и свои особенности.

Определение

Биогеоценоз – это самостоятельно сложившаяся экосистема, в которой представители живого мира тесно связаны с неорганическими компонентами, составляющими среду их обитания. Примеры: хвойный лес, цветочный луг.

Агроценоз – это система, которая появляется при вмешательстве человека в пространство естественной среды. Как и биогеоценоз, она включает в себя органическую и неорганическую части. Примеры: приусадебный участок, кукурузное поле.

Сравнение

Сравнивая между собой рассматриваемые системы, следует прежде всего обратить внимание на их видовой состав. Для биогеоценоза в этом отношении характерно большее разнообразие. В агроценозе же преобладают одна или несколько культур, выбранных человеком для выращивания (например, посаженный на участке картофель), и, соответственно, количество видов животных и низших организмов (бактерий, грибов) тоже является ограниченным.

В связи с этим цепи питания в искусственно созданных системах короче и проще. Однако на территории, где находится множество растений одного вида, создаются все условия для жизнедеятельности зловредных организмов, способных сосуществовать именно с такими культурами. Не испытывая биологической конкуренции, они могут усиленно размножаться и уничтожать посевы или вызывать болезни у растений. В итоге вся система нередко оказывается под угрозой гибели. Биогеоценоз в этом отношении гораздо устойчивей.

Отличие биогеоценоза от агроценоза состоит также в том, каким образом в каждом случае осуществляется круговорот веществ. В естественном природном сообществе он является замкнутым. Все произведенное растениями (а также их останки) потребляется представителями многочисленных пищевых звеньев и возвращается в почву, обогащая ее. В то же время агроценоз создается именно с целью получения урожая. Соответственно, на моменте уборочных работ, сопровождаемых значительным выносом биомассы, круговорот веществ в такой системе нарушается, поэтому в данном случае он называется незамкнутым. Для сохранения баланса в землю вносят удобрения.

Важным является также то, что структура биогеоценоза формируется при осуществлении естественного отбора, устраняющего слабые виды организмов. В агроценозе же участвуют культуры, тщательно подобранные человеком с учетом степени их продуктивности. Иными словами, в образованиях такого типа по большей мере действует искусственный отбор. При этом человек не только сам определяет, что будет расти на земельной площади, но и обеспечивает поступление в агроценоз дополнительной энергии. Например, производится подогрев теплиц, создается искусственное освещение. Между тем экосистемы, существующие без вмешательства человека, получают энергию в основном от Солнца.

В чем разница между биогеоценозом и агроценозом? В том, что последний приносит человеку реальную выгоду, поскольку служит источником необходимой продукции. Биогеоценоз, в свою очередь, не всегда полезен с практической точки зрения. Однако он является устойчивым саморегулирующимся образованием. Агроценоз же благополучно существует более или менее длительный срок только при условии контроля со стороны людей. Для поддержания такой системы требуется применение всевозможных агротехнических приемов.

Таблица

Биогеоценоз	Агроценоз
Создается природой	Искусственно организованная система
Для него характерны устойчивость и саморегуляция	Неустойчив, регулируется человеком
Видовое разнообразие	Небольшое количество культур
Разветвленные цепи питания	Пищевые цепи короче и проще
Менее подвержен действию вредителей, следовательно, более жизнеспособен	Вредители в нем чувствуют себя более комфортно, что может сократить время существования такой системы
Круговорот веществ – замкнутый	Круговорот веществ – незамкнутый
Формируется путем естественного отбора	Ведущим является искусственный отбор
Получение света и тепла от Солнца	Иногда используется дополнительная энергия, поступление которой обеспечивает человек
Не всегда приносит практическую пользу человеку	Источник необходимой продукции

– это взаимодействие живой и неживой природы, которое состоит из живых организмов и сферы их обитания. Экологическая система является масштабным балансом и связью, что позволяет поддерживать популяцию видов живых существ. В наше время существуют естественные и антропогенные экосистемы. Различия между ними состоят в том, что первая создается силами природы, а вторая при помощи человека.

Значение агроценоза

Агроценоз – экосистема созданная руками человека с целью получения сельскохозяйственных культур, животных и грибов. Агроценоз также называется агроэкосистемой. Примерами агроценоза являются:

• яблоневые и другие сады;
• поля кукурузы и подсолнечника;
• пастбища коров и овец;
• виноградники;
• огороды.

Человек по причине удовлетворения своих потребностей и увеличения населения в последнее время вынужден изменять и разрушать природные экосистемы. В целях рационализации и увеличения объемов урожая сельскохозяйственных культур людьми создаются агроэкосистемы. В наше время 10% всей доступной суши занимают земли под выращивание сельскохозяйственных культур, а 20% — пастбища.

Отличие природных экосистем от агроценоза

Главные отличия агроценоза от натуральных экосистем состоит в:

• искусственно созданные культуры не могут конкурировать в борьбе с дикими видами и ;
• агроэкосистемы не приспособлены к самовосстановлению, и полностью зависят от человека и без него быстро ослабевают и умирают;
• большое количество и одного вида в агроэкосистеме способствуют масштабному развитию вирусов, бактерий и вредных насекомых;
• в природе существует намного больше разнообразия видов, в отличие от разводимых человеком культур.

Искусственно созданные агрохозяйственные участки должны находиться под полным контролем человека. Недостатком агроценоза становится частые увеличения популяций вредителей и грибков, которые не только вредят урожаю, но также могут ухудшить состояние окружающей среды. Численность популяции культуры в агроценозе увеличивается только при помощи использования:

• борьбы с сорняками и вредителями;
• орошения засушливых земель;
• высушивания переувлажненной земли;
• замены сортов культур;
• удобрения органическими и минеральными веществами.

В процессе создания агроэкосистемы человек выстроил полностью искусственные этапы развития . Большой популярностью пользуется мелиорация почв – обширный комплекс мероприятий направленных на улучшение природных условий с целью получить максимально высокий уровень урожая. Только правильный научный подход, контроль состояния почвы, уровня влаги и минеральных удобрений способны повысить продуктивность агроценоза в сравнении с естественной экосистемой.

Негативные последствия агроценоза

Человечеству важно поддерживать баланс агро- и природных экосистем. Люди создают агроэкосистемы для увеличения количества продуктов питания и используют их для пищевой промышленности. Однако создание искусственных агроэкосистем требуют дополнительных территорий, поэтому люди часто , распашивают землю и тем самым уничтожают уже существующие природные экосистемы. Это нарушает баланс диких и культурных видов животных и растений.

Вторую негативную роль играют пестициды, которые часто используют для борьбы с вредителями на агроэкосистемах. Эти химические препараты через воду, воздух и насекомых-вредителей попадают в природные экосистемы и загрязняют их. Кроме этого, избыточное употребление удобрений для агроэкосистем вызывает и грунтовых вод.

Проработав эти темы, Вы должны уметь:

1. Дать определения: "экология", "экологический фактор", "фотопериодизм", "экологическая ниша", "среда обитания", "популяция", "биоценоз", "экосистема", "продуцент", "консумент", "редуцент", "сукцессия", "агроценоз".
2. Приводить примеры фотопериодических реакций растений и, по возможности, животных.
3. Объяснить разницу между местообитанием популяции и ее нишей. Привести примеры на каждое из этих понятий.
4. Прокомментировать закон Шелфорда и уметь строить график зависимости организмов от абиотических факторов среды.
5. Описать пример успешного биологического метода борьбы с вредителями.
6. Объяснить причины демографического взрыва и возможные последствия, а также значение снижения рождаемости, которое, как правило, следует за снижением смертности.
7. Построить схему пищевой цепи; правильно указать трафический уровень каждого компонента данной экосистемы.
8. Построить схему простого круговорота следующих элементов: кислорода, азота, углерода.
9. Описать события, происходящие при зарастании озера; после вырубки леса.
10. Указать различия между агроценозом и биоценозом.
11. Рассказать о значении и структуре биосферы.
12. Объяснить, каким образом сельское хозяйство, использование ископаемого топлива и производство пластмасс способствуют загрязнению среды и предложить меры для предотвращения этого.

Иванова Т.В., Калинова Г.С., Мягкова А.Н. "Общая биология". Москва, "Просвещение", 2000

• Тема 18. "Среда обитания. Экологические факторы." глава 1; стр. 10-58
• Тема 19. "Популяции. Типы взаимоотношений организмов." глава 2 §8-14; стр. 60-99; глава 5 § 30-33
• Тема 20. "Экосистемы." глава 2 §15-22; стр. 106-137
• Тема 21. "Биосфера. Круговороты веществ." глава 6 §34-42; стр. 217-290