Естественные и искусственные экосистемы, их сравнение. Экологическая система: понятие, суть, типы и уровни

Естественные, природные экосистемы образовались в результате действия сил природы. Для них характерны:

• Тесная взаимосвязь органических и неорганических веществ
• Полный, замкнутый круг круговорота веществ: начиная от появления органического вещества и заканчивая его распадом и разложением на неорганические компоненты.
• Устойчивость и способность к самовосстановлению.

Все природные экосистемы определяются следующими признаками:

• 1. Видовая структура : численность каждого вида животного или растения регулируется природными условиями.
  2. Пространственная структура : все организмы располагаются в строгой горизонтальной или вертикальной иерархии. Например, в лесной экосистеме четко выделяются ярусы, в водной - размещение организмов зависит от глубины воды.
  3. Биотические и абиотические вещества . Организмы, составляющие экосистему, делятся на неорганические (абиотические: свет, воздух, почва, ветер, влажность, давление) и органические (биотические - животные, растения).
  4. В свою очередь биотический компонент делится на производителей, потребителей и разрушителей. К производителям относят растения и бактерии, которые с помощью солнечного света и энергии создают из неорганических веществ органику. Потребители - это животные и плотоядные растения, которые питаются этой органикой. Разрушители (грибы, бактерии, некоторые микроорганизмы) являются венцом пищевой цепочки, так как производят обратный процесс: органику превращают в неорганические вещества.

Искусственные экосистемы

Искусственными экосистемами называют сообщества животных и растений, обитающих в условиях, которые создал для них человек. Их еще называют нообиогеоценозами или социоэкосистемами. Примеры: поле, пастбище, город, общество, космический корабль, зоосад, сад, искусственный пруд, водохранилище.

Самым простым примером искусственной экосистемы является аквариум. Здесь ареал обитания ограничен стенками аквариума, приток энергии, света и питательных веществ осуществляется человеком, он же регулирует температуру и состав воды. Численность обитателей также изначальна определена.

Первая особенность: все искусственные экосистемы являются гетеротрофными , т.е потребляющими готовую пищу. Возьмем для примера город - одну из самых больших искусственных экосистем. Здесь огромную роль играет приток искусственно созданной энергии (газопровод, электричество, продукты питания). В то же время, такие экосистемы характеризуются большим выходом ядовитых веществ. То есть, те вещества, которые в природной экосистеме в дальнейшем служат для производства органики, в искусственных зачастую становятся непригодными.

Еще одна отличительная особенность искусственных экосистем - незамкнутый цикл обмена веществ. Возьмем для примера агроэкосистемы - наиболее важные для человека. К ним относятся поля, сады, огороды, пастбища, фермы и прочие сельскохозяйственные угодья, на которых человек создает условия для выведения продуктов потребления. Часть пищевой цепочки в таких экосистемах человек вынимает (в виде урожая), а потому пищевая цепочка становится разрушенной.

Третьим отличием искусственных экосистем от природных является их видовая малочисленность . Действительно, человек создает экосистему ради выведения одного (реже нескольких) видов растений или животных. Например, на пшеничном поле уничтожаются все вредители и сорняки, культивируется лишь пшеница. Это дает возможность получить лучший урожай. Но в то же время, уничтожение «невыгодных» для человека организмов делает экосистему неустойчивой.

Сравнительная характеристика природных и искусственных экосистем

Сравнение природных экосистем и социоэкосистем удобнее представить в виде таблицы:

Природные экосистемы	Искусственные экосистемы
Главный компонент - солнечная энергия.	В основном, получает энергию из топлива, и готовой пищи (гетеротрофны)
Формирует плодородную почву	Истощает почву
Все природные экосистемы поглощают углекислый газ и производят кислород	Большинство искусственных экосистем потребляет кислород и продуцирует углекислый газ
Большое видовое разнообразие	Ограниченное количество видов организмов
Высокая устойчивость, способность к саморегуляции и самовосстановлению	Слабая устойчивость, так как такая экосистема зависит от деятельности человека
Замкнутый обмен веществ	Незамкнутая цепь обмена веществ
Создает места обитания диких животных и растений	Разрушает ареалы дикой природы
Накапливает воду, разумно расходуя ее и очищая

*Термин "экосистема" применим к биоценозам и биотопам самого различного размера, например, ствол погибшего дерева, лес или пруд, океан. Все это естественные экосистемы. В качестве примера естественной, сравнительно простой экосистемы рассмотрим экосистему небольшого пруда. Экосистему пруда можно представить в виде двух основных компонентов.

**Естественные экосистемы достаточно сложны, и изучать их с помощью традиционного научного приема "опыта и контроля" очень трудно. Поэтому ученые-экологи используют лабораторные искусственные микроэкосистемы, моделирующие процессы, протекающие в естественных условиях.

Аквариум как искусственная экосистема

Существует заблуждение, касающееся "равновесия" в аквариуме. Достигнуть в аквариуме приблизительного равновесия в отношении газового и пищевого режима возможно лишь при условии, что рыб в нем будет мало, а воды и растений много. Еще в 1857 году Дж. Уоррингтон установил "это удивительное и восхитительное равновесие между животными и растительным царством" в аквариуме объемом 12 галлонов (54,6 л), поселив в нем несколько золотых рыбок и улиток. Кроме того, он посадил большое количество многолетних водных растений валлиснерий, служащих кормом для рыб. Дж. Уоррингтон правильно оценил не только взаимодействие рыб и растений, но и значение детритоядных улиток "для разложения остатков растений и слизи", в результате чего "то, что могло бы действовать как ядовитое начало, превращалось в плодородную среду для роста растений". Большинство попыток любителей добиться равновесия в аквариуме оканчивается неудачей из-за того, что в аквариум помещают слишком много рыб (элементарный случай перенаселения). Поэтому любителям-аквариумистам приходится периодически искусственно поддерживать равновесие в аквариуме (дополнительное питание, аэрация, периодическая чистка аквариума).

***Возможно, лучший способ представить себе искусственную экосистему - это задуматься о космическом путешествии, так как человек, покидая биосферу, должен взять с собой четко ограниченную систему, которая обеспечивала бы все его жизненные потребности, используя солнечный свет в качестве энергии, поступающей из окружающей космической среды.

Космический корабль как искусственная экосистема

Различают открытый и закрытый типы космического корабля.

В открытой системе (без регенерации) поток веществ и энергии идет в одном направлении, и жизнь системы будет зависеть от запасов воды, пищи и кислорода. Использованные материалы и отходы хранятся на космическом корабле до возвращения на землю или выбрасываются в космос (!).

В замкнутой по всем параметрам (кроме энергии) системе происходит круговорот веществ, который так же, как и поток энергии, можно регулировать при помощи внешних механизмов. Сегодня практически во всех космических кораблях используется система открытого типа с разными степенями регенерации.

В отличие от естественной экосистемы, искусственная экосистема характеризуется. Ответ запишите цифрами без пробелов.

1) большим разнообразием видов

2) разнообразными цепями питания

3) незамкнутым круговоротом веществ

4) преобладанием одного - двух видов

5) влиянием антропогенного фактора

6) замкнутым круговоротом веществ

Пояснение.

Отличия агроценозов от естественных биогеоценозов. Между естественными и искусственными биогеоценозами наряду со сходством существуют и большие различия, которые важно учитывать в сельскохозяйственной практике.

Первое отличие состоит в разном направлении отбора. В природных экосистемах существует естественный отбор, отвергающий неконкурентоспособные виды и формы организмов и их сообществ в экосистеме и тем самым обеспечивающий ее основное свойство - устойчивость. В агроценозах действует преимущественно искусственный отбор, направленный человеком прежде всего на максимальное повышение урожайности сельскохозяйственных культур. По этой причине экологическая устойчивость агроценозов невелика. Они не способны к саморегуляции и самовозобновлению, подвержены угрозе гибели при массовом размножении вредителей или возбудителей болезней. Поэтому без участия человека, его неустанного внимания и активного вмешательства в их жизнь агроценозы зерновых и овощных культур существуют не более года, многолетних трав - 3−4 года, плодовых культур - 20−30 лет. Затем они распадаются или отмирают.

Второе отличие - в источнике используемой энергии. Для естественного биогеоценоза единственным источником энергии является Солнце. В то же время агроценозы, помимо солнечной энергии, получают дополнительную энергию, которую затратил человек на производство удобрений, химических средств против сорняков, вредителей и болезней, на орошение или осушение земель и т. д. Без такой дополнительной затраты энергии длительное существование агроценозов практически невозможно.

Третье отличие сводится к тому, что в агроэкосистемах резко снижено видовое разнообразие живых организмов. На полях обычно культивируют один или несколько видов (сортов) растений, что приводит к значительному обеднению видового состава животных, грибов, бактерий. Кроме того, биологическое однообразие сортов культурных растений, занимающих большие площади (иногда десятки тысяч гектаров), часто является основной причиной их массового уничтожения специализированными насекомыми (например, колорадским жуком) или поражения возбудителями болезней (мучнис-торосяными, ржавчинными, головневыми грибами, фитофторой и др.).

Четвертое отличие состоит в разном балансе питательных элементов. В естественном биогеоценозе первичная продукция растений (урожай) потребляется в многочисленных цепях (сетях) питания и вновь возвращается в систему биологического круговорота в виде углекислого газа, воды и элементов минерального питания.

В агроценозе такой круговорот элементов резко нарушается, поскольку значительную их часть человек изымает с урожаем. Поэтому для возмещения их потерь и, следовательно, повышения урожайности культурных растений необходимо постоянно вносить в почву удобрения.

Таким образом, по сравнению с естественными биогеоценозами агроценозы имеют ограниченный видовой состав растений и животных, не способны к самообновлению и саморегулированию, подвержены угрозе гибели в результате массового размножения вредителей или возбудителей болезней и требуют неустанной деятельности человека по их поддержанию.

Под цифрами 3, 4, 5 - характеризует агроценоз; 1, 2, 6 - естественный биогеоценоз.

Ответ: 345.

Помимо естественных биогеоценозов и экосистем существуют сообщества, искусственно созданные хозяйственной деятельностью человека, — агроэкосистемы (агроценоз, агробиоценоз, сельскохозяйственная экосистема).

Агроэкосистема (от греч. agros — поле) — биотическое сообщество, созданное и регулярно поддерживаемое человеком с целью получения сельскохозяйственной продукции. Обычно включает совокупность организмов, обитающих на землях сельхозпользо- вания.

К агроэкосистемам относят поля, сады, огороды, виноградники, крупные животноводческие комплексы с прилегающими искусственными пастбищами. Характерная особенность агроэкосистем — малая экологическая надежность, но высокая урожайность одного (нескольких) видов или сортов культивируемых растений или животных. Главное их отличие от естественных экосистем — упрощенная структура и обедненный видовой состав.

Агроэкосистемы отличаются от естественных экосистем рядом особенностей.

Разнообразие живых организмов в них резко снижено для получения максимально высокой продукции. На ржаном или пшеничном поле кроме злаковой монокультуры можно встретить разве что несколько видов сорняков. На естественном лугу биологическое разнообразие значительно выше, но биологическая продуктивность во много раз уступает засеянному полю.

Виды сельскохозяйственных растений и животных в агроэкосистемах получены в результате действия искусственного, а не естественного отбора. В результате происходит резкое сужение генетической базы сельскохозяйственных культур, которые крайне чувствительны к массовому размножению вредителей и болезням.

В естественных биоценозах первичная продукция растений потребляется в многочисленных цепях питания и вновь возвращается в систему биологического круговорота в виде углекислого газа, воды и элементов минерального питания. Агроэкосистемы более открыты, из них вещество и энергия изымаются с урожаем, животноводческой продукцией, а также в результате разрушения почв.

В связи с постоянным изъятием урожая и нарушением процессов почвообразования, при длительном выращивании монокультуры на культурных землях постепенно происходит снижение плодородия почв. Данное положение в экологии называется законом убывающего плодородия. Таким образом, для расчетливого и рационального ведения сельского хозяйства необходимо учитывать обеднение почвенных ресурсов и сохранять плодородие почв с помощью улучшенной агротехники, рационального севооборота и других приемов.

Смена растительного покрова в агроэкосистемах происходит не естественным путем, а по воле человека, что не всегда хорошо отражается на качестве входящих в нее абиотических факторов. Особенно это касается почвенного плодородия.

Главное отличие агроэкосистемы от природных экосистем — получение дополнительной энергии для нормального функционирования. Под дополнительной понимается любой тип энергии, привносимой в агроэкосистемы. Это может быть мускульная сила человека или животных, различные виды горючего для работы сельскохозяйственных машин, удобрения, пестициды, ядохимикаты, дополнительное освещение и т.д. В понятие «дополнительная энергия» входят также новые породы домашних животных и сорта культурных растений, внедряемые в структуру агроэкосистем.

Все искусственно создаваемые в сельскохозяйственной практике агроэкосистемы полей, садов, пастбищных лугов, огородов, теплиц представляют собой системы, специально поддерживаемые человеком. В агроэкосистемах используется их свойство производить чистую продукцию, так как все конкурентные воздействия на культивируемые растения со стороны сорняков сдерживаются агротехническими мероприятиями, а формирование пищевых цепей за счет вредителей пресекается с помощью различных мер, например химической и биологической борьбы.

Какие признаки экосистемы считаются устойчивыми? Прежде всего это сложная, полидоминантная структура, включающая максимально возможное при данных условиях число видов и популяций. Второй признак — максимальная биомасса. И последнее — относительное равновесие между приходом и расходом энергии. Несомненно, что в таких экосистемах наблюдается наименьший уровень продуктивности: биомасса большая, а продуктивность низкая. Это связано с тем, что основная часть поступающей в экосистему энергии идет на поддержание процессов жизнедеятельности.

Следует отметить, что агроэкосистемы — крайне неустойчивые сообщества. Они не способны к самовосстановлению и саморегулированию, подвержены угрозе гибели от массового размножения вредителей или болезней. Для их поддержания необходима постоянная деятельность людей.

Искусственные экосистемы (агроэкосистемы)

Своеобразный тип экосистем представляют агроэкосистемы. Агроэкосистемы (сельскохозяйственные экосистемы) создаются человеком для получения высокочистой продукции автотрофов (урожая), отличающейся от природных рядом особенностей:

• В них резко снижено разнообразие организмов.
• Виды, культивируемые человеком, поддерживаются искусственным отбором в состоянии, далеком от первоначального, и не могут выдерживать борьбу за существование с дикими видами без поддержки человека.
• Агроэкосистемы получают дополнительный поток энергии, кроме солнечной, благодаря деятельности людей, животных и механизмов, обеспечивающих необходимые условия роста культивируемых видов. Чистая первичная продукция (урожай) удаляется из экосистемы и не поступает в цепи питания.

Искусственная регуляция численности вредителей — по большей части необходимое условие поддержания агроэкосистем. Поэтому в сельскохозяйственной практике применяют мощные средства подавления численности нежелательных видов: ядохимикаты, гербициды и т.д. Экологические последствия этих действий приводят, однако, к ряду нежелательных эффектов, кроме тех, для которых они применяются.

В отношении к сообществам, складывающимся в агроэкосистемах, постепенно меняются акценты в связи с общим развитием экологических знаний. На смену представлениям об обрывочности, осколочности ценотических связей и предельной упрощенности агроценозов возникает понимание их сложной системной организации, где человек существенно влияет лишь на отдельные звенья, а вся система продолжает развиваться по естественным, природным законам.

С экологических позиций крайне опасно упрощать природное окружение человека, превращая весь ландшафт в агрохозяйственный. Основная стратегия создания высокопродуктивного и устойчивого ландшафта должна заключаться в сохранении и умножении его многообразия.

Наряду с поддержанием высокопродуктивных полей следует особенно заботиться о сохранении заповедных территорий, не подвергающихся антропогенному воздействию. Заповедники с богатым видовым разнообразием являются источником видов для восстанавливающихся в сукцессионных рядах сообществ.

Зеленая революция

Одной из форм проявления научно-технической революции в сельском хозяйстве является «зеленая революция». Зеленная революция представляет собой преобразование сельского хозяйства на основе современной агротехники и селекции, это период кардинальной смены подходов к выращиванию растений и животных. В результате первого периода этой революции урожайность зерновых культур возросла в 2-3 раза, и вдвое увеличился ассортимент продукции.

Основными тенденциями второго периода «зеленой революции» были: оказание минимального воздействия на окружающую природную среду, снижение вложений антропогенной энергии, использование биологических методов борьбы с вредителями растений. Однако активное вмешательство человека в природные экосистемы и создание агроэкосистем привело к ряду негативных последствий: деградации почв, снижению плодородия почв, загрязнению экосистем ядохимикатами.

№3. Среди нескольких комнатных растений найдите однодольное и двудольное, назовите их отличительные признаки.

Основным признаком у комнатных растений можно заметить жилкование листьев.

Билет № 12

№1. Доядерные и ядерные организмы, их характерист ика.

Биологическое разнообразие, его роль в сохранении устойчивости биосферы.

№2. Биологическое разнообразие- разнообразие населяющих Землю видов, разнообразие природных экосистем на земном шаре. 2. Разнообразие видов в природе - причина разнообразных пищевых, территориальных связей между ними, наиболее полного использования природных ресурсов, замкнутого круговорота веществ в природной экосистеме. Тропический лес - устойчивая экосистема благодаря большому разнообразию видов в ней, приспособленности организмов к совместному обитанию, оптимальному использованию природных ресурсов. Экосистема, состоящая из небольшого числа видов, например небольшой водоем, луг, - пример неустойчивых природных сообществ. 3. Сокращение видового разнообразия как результат деятельности человека: строительство городов, железных и шоссейных дорог, вырубка больших массивов леса, строительство промышленных предприятий, распашка земель под сельскохозяйственные угодья. Исчезновение в настоящее время около 10% видов высших растений на Земле. Вырубка тропических лесов, в которых сосредоточена значительная часть видов растений и животных, - проблема, требующая применения специальных мер защиты лесов. Исчезновение за последние 400 лет более 60 видов млекопитающих и более 100 видов птиц. 4. Влияние загрязнения окружающей среды на видовое разнообразие, причины его сокращения. Так, загрязнение воды в реках промышленными отходами - причина сокращения численности речного рака, пресноводной жемчужницы (моллюска), некоторых видов рыб. Обработка полей и садов ядохимикатами - причина гибели птиц, которые питаются насекомыми, зараженными ядами. Экосис-темный характер сокращения видового разнообразия: каждый исчезнувший вид растений уносит с собой пять видов беспозвоночных животных, существование которых неразрывно связано с этим растением. 5. Роль биоразнообразия в сохранении устойчивости биосферы. Зависимость существования человека от состояния биосферы, от ее биологического разнообразия. Сохранение видового разнообразия, мест обитания растений и животных. Охраняемые территории: заповедники, биосферные заповедники, национальные парки, памятники природы, их роль в сохранении разнообразия жизни на Земле.

№3. Среди пробирок с семенами выберите ту, в которой находятся семена, высеваемые на глубину 1-2 см. Поясните свой выбор.

Если сеять семена на глубину 1-2 см, то надо выбрать пробирку с мелкими семенами, так как они содержат небольшой запас питательных веществ. Если такие семена посеять глубоко, то развившиеся из них растения не смогут пробиться к свету из-за недостатка питательных веществ. Мелкие и быстро прорастающие семена (салат, редис, капуста и др.) высевают на глубину 1−2 см, а мелкие, но медленного прорастающие семена (лук, петрушка, морковь и др.) - на глубину 2,0−3,0 см. крупные (бобы, горох) – на глубину 6-7 см.

Билет № 13

№1. Биологическая природа и социальная сущность человека .

1. Биосоциальная сущность человека. Подчинение жизни человека как биологическим, так и социальным законам. Формирование человека, как и других организмов, в процессе эволюции, подчинение его процессов жизнедеятельности (питания и др.) биологическим законам. Существенные отличия человека от животных - прямохождение и труд, связанные с ними изменения в строении и жизнедеятельности - наличие в скелете позвоночника с четырьмя изгибами, сводчатой стопы, особенностей строения таза, кисти, черепа; увеличение мозга, способность трудиться, создавать орудия труда, общаться друг с другом, владеть членораздельной речью, отвлеченно мыслить, создавать науку и искусство, накапливать и использовать опыт предшествующих поколений, передавать его потомкам. Невозможность объяснить эти особенности только законами биологической эволюции. Существование законов развития человеческого общества, в соответствии с которыми подлинно человеческие черты формируются в процессе жизни человека в обществе, его воспитания. Дети, выросшие с раннего возраста среди животных, не владеют хорошо развитой речью, не могут отвлеченно мыслить. 2. Роль человека в биосфере. Целенаправленное воздействие человека как на неживую природу, так и на ее обитателей. Создание новых сортов растений и пород животных, изменение ареалов дикорастущих растений и диких животных, охота на животных, сбор лекарственных трав, использование лугов и степей в качестве пастбищ. Отрицательное влияние на природу развития промышленности, сельского хозяйства, транспорта, использования земель под дороги, строительства жилья на плодородных почвах, эрозии почвы, загрязнения почвы, воздуха, водоемов, сокращения численности видов, гибель многих из них. Сокращение биологического разнообразия, повышение численности ряда видов насекомых, бактерий, грибов и других организмов в результате деятельности человека. Ухудшение экологических условий, необходимых для жизни не только человека, но и растений, животных, грибов. Необходимость сохранения биологического генофонда самого человека, учета человеком в своей хозяйственной деятельности законов природы, разработки мер регулирования численности видов, сохранения среды обитания организмов.

№2. Эволюция органического мира , ее причины и результаты.

1. Причины эволюции. Существование на Земле огромного разнообразия видов (около 0,5 млн видов растений и около 2 млн видов животных). Формирование многообразия органического мира в процессе его исторического развития - эволюции. Воздействие естественных факторов на эволюцию органического мира впервые изучено английским ученым Ч. Дарвином. Его теория эволюции, доказывающая, что все организмы обладают свойствами изменчивости и наследственности. Изменчивость - свойство, благодаря которому у организмов появляются разнообразные новые признаки. Наследственность - передача признаков по наследству, появление их у потомства. Гибель под воздействием различных факторов живой и неживой природы значительной части особей, доживание до взрослого состояния и оставление потомства лишь небольшой частью наиболее приспособленных особей. Естественный отбор - процесс выживания особей, наиболее приспособленных к конкретным условиям среды. Возникновение постепенно, через множество поколений, из одного вида новых видов, более приспособленных к жизни в измененных условиях. 2. Результаты эволюции. Образование новых видов, увеличение их многообразия, а также формирование у них черт приспособленности к среде обитания.

№3. Используя таблицы и рисунки, опишите приспособления к жизни в почве у крота. Объясните, как могли возникнуть эти приспособления .

У живущих в почве живых организмов имеются различные приспособления к почвенной среде. У крота, например, передние ноги короткие и обращены не вниз, как у наземных зверьков, а в стороны: широкие кисти повернуты назад. Пальцы с крепкими острыми когтями соединены кожистой перепонкой. Такими ногами крот легко разрыхляет почву и делает в ней норы. Глаза у крота недоразвиты и скрыты шерстью. Ими он отличает лишь свет от тьмы. Кроты постоянно живут в почве. Они могут уходить из слоев, в которых создаются неблагоприятные условия жизни, в другие слои почвы. В засуху и к зиме они перебираются в более глубокие слои.

Большая плотность почвы (по сравнению с вод­ной и наземно-воздушной средами). В связи с этим обитание в ней высокоспециализированных видов, например обыкновенного крота, у которого в про­цессе эволюции сформировалось тело, имеющее форму цилиндра, заостренное спереди, покрытое короткой густой шерстью, произошла редукция уш­ных раковин и органов зрения. Развитие в связи с роющим образом жизни коротких, но сильных пе­редних конечностей, интенсивного обмена веществ. Формирование приспособлений к передвижению в почве (например, хорошо развитых мышц, щети­нок - упругих образований на брюшной сторо­не каждого членика у дождевого червя - и других особенностей их строения) - основное направле­ние эволюции обитателей почвы. Роль наследст­венности, изменчивости и естественного отбора в формировании признаков приспособленности к среде.

Билет № 14

№1. Питание, его значение в жизни организма. Особенности питания растений

1. Способы питания. Питание - процесс поглощения веществ из окружающей среды, их преобразование в организме и создание из них усваиваемых организмом веществ, специфических для каждого конкретного организма. 2. Автотрофный и гетеротрофный способы питания. Создание органических веществ из неорганических при автотрофном способе питания. Использование готовых органических веществ при гетеротрофном способе питания. Автотрофный способ характерен для зеленых растений и некоторых видов бактерий, а гетеротрофный - для всех других организмов.