Міністерство освіти і науки України

Вінницький національний технічний університет

Інститут менеджменту і екології та економічної і екологічної кібернетики

Кафедра ЕЕБ
ДОСЛідження взаємозв’язків між живими організмами на прикладі екосистеми озера

Пояснювальна записка

з дисципліни “Загальна екологія (та неоекологія)"

до курсової роботи за спеціальністю

“Екологія, охорона навколишнього середовища та

збалансоване природокористування”
Керівник курсової роботи

асистент Турчик П.М.

Розробив студент гр.2ЕКО-07

Медведєв І.О.
Вінниця ВНТУ 2008


Зміст
Вступ

1. Фактори водного середовища

1.1 Фізичні властивості води

1.2 Хімічні властивості води

1.3 Водне середовище існування

2. Дослідження динаміки водної екосистеми

2.1 Екологічні ніші гідробіонтів

2.2 Корм і шляхи формування ланцюгів живлення

3. Дослідження біотичних взаємодій гідробіонтів

3.1 Взаємодія як двигун еволюції та динаміки популяції

3.2 Конкуренція

3.3 Хижацтво

3.4 Позитивні форми взаємодії

4. Вплив антропогенних факторів на динаміку водних екосистем

4.1 Сукцесійні зміни водойомів

4.2 Явище біоакумуляції

5. Розрахункова частина. кількісна оцінка видової структури популяцій

5.1 Завдання

5.2 Розрахунки

Вступ

Актуальність КР: Людина завжди цікавилася екологією з практичної точки зору з давніх часів. І тепер, коли людство хоче зберегти свою цивілізацію, воно більш ніж коли-небудь, має потребу в досить повних знаннях про навколишнє середовище, оскільки "закони природи" діють як і раніше; ріст населення і розширення можливостей впливу погіршили стан природи й ускладнили залежність від них. Дослідивши відносини між групами організмів до оточу їх середовища, на прикладі озера буде легше зрозуміти відносини організмів, оскільки на більш глобальному рівні екології вони однакові.

Мета роботи є: Тема КР прослідкувати і відобразити структуру, трофічну стратифікацію озера, динаміку водної екосистеми, та описати біотичні зв’язки між гідро біонтами.

Об’єкт вивчення: Прісноводна біота (флора і фауна) - водорості, водні рослини, молюски, водяні комахи, ракоподібні і риби стоячих водоймів (озера)

1. Фактори водного середовища

1.1 Фізичні властивості води

Вода, в якій розпочалося життя на Землі, - це важливий екологічний фактор, що визначається її фізичними властивостями, зокрема, прозорістю, щільністю, теплопровідністю і теплоємністю, а також текучістю. Остання зумовлює циркуляцію в озерах і ставках.

Водне складається з водних розчинів і зависі частинок неорганічних і органічних речовин, а також із живих органічних тіл, котрі втримуються в системі за рахунок різності співвідношень маси, постійного перемішування водних мас або активної протидії силі тяжіння з боку живих організмів.

В поняття гідросфери включають і дно водоймища (тверда фаза), і приводний шар повітря (газоподібна фаза). Велике значення мають площини контактів цих фаз: дно-вода, вода-повітря. Це складні біогоризонти, насичені живими організмами.

Головним джерелом тепла, яке надходить у водні шари, є сонячна енергія. Сонячне проміння, проникаючи крізь водну поверхню, поглинається і розсіюється водою.

Зрозуміло, що зі зростанням у воді зважених частинок і дрібних організмів планктону зростає коефіцієнт затухання і, відповідно, погіршується прозорість води, а отже, зменшується інтенсивність фотосинтезу водяних рослин.

Сонячне тепло завдяки малій теплопровідності води майже не передається на глибину. Переміщення теплих мас з поверхні на глибину відбувається за рахунок вертикального переміщення (вітрового, конвективного, турбулентного у прісних порівняно мілководних водоймищах), а також за рахунок глибинних течій у морських водах. Прогрівання шарів води як у внутрішніх водоймах, так і в морях має сезонний характер.

Важливими фізичними властивостями води є її висока щільність, яка послаблює земне тяжіння, що дає змогу гідробіонтам мікроскопічних розмірів перебувати у зваженому стані. Крупніші гідробіонти для полегшення плавання знижують свою щільність, включаючи до складу тіла велику кількість води (медузи), жирових крапель (діатомові водорості), повітря (ламінарії і молюск наутілус), а також утворюючи різні відростки.

Для організмів, зокрема членистоногих, які живуть на поверхні води, має значення поверхневий натяг рідини (для чистої води становить 76 дін/см при 0°С і 73 дін/см при 20°С). Коли сила поверхневого натягу більша маси тварини, остання буде утримуватись завдяки поверхневому натягу. У комах, "ковзаючих по поверхні", тіло несуть передні і задні лапки, а середні кінцівки служать веслами.

До прісних вод, з одного боку, належать стоячі води, або стрічкові фації, з другого - проточні, або лотичні, фації. Рух води приводить до вирівнювання температури у всій її товщі, а також до збагачення киснем.

Текучі води в процесі адаптації формували тіло риб, яке, наприклад у форелі, в поперечному розрізі є округле, тоді як у риб стоячих вод (ставків, озер) воно плоске (короп, карась, окунь). Своєрідним для тварин швидкотекучих вод є етологічне пристосування - реотропізм: тварини приймають певне положення відносно течії і намагаються подолати її.

Вода, яка містить речовини у завислому стані, стає каламутною.

2.2 Корм і шляхи формування ланцюгів живлення

Зелені рослини (автотрофи) асимілюють неорганічні ресурси і творять "упаковки" органічних молекул (білків, вуглеводів та ін). Ці органічні речовини стають поживою для гетеротрофів - організмів, які потребують високоенергетичних органічних ресурсів і беруть участь у ланцюзі перетворень, за перебігом яких кожний попередній споживач ресурсу сам, у свою чергу, перетворюється в ресурс для наступного споживача.

Автотрофи, для яких зовнішнім джерелом енергії є сонячне світло, називають фотоавтотрофами (фотосинтетиками). Автотрофи, які одержали енергію шляхом синтезу органічних речовин з вуглекислого газу, а також через окислення різних неорганічних речовин (NH₄⁺, S², Мп²⁺), називають хемоавтотрофами (хемосинтетиками). Хемосинтез здійснюється мікроорганізмами у процесі їхньої життєдіяльності і відіграє в природі важливу роль, оскільки завдяки йому відбуваються такі важливі процеси, як нітрифікація, новоутворення органічних речовин, відповідне запасання енергії в біологічних системах, окислення сірководню в морях тощо.

Гетеротрофи, на відміну від автотрофів, неспроможні використовувати енергію абіотичних джерел для синтезу складних органічних сполук. Для побудови і підтримки своєї біомаси вони одержують енергію й органічні речовини з кормом, який являє собою живу або мертву масу автотрофів та інших гетеротрофів. Гетеротрофами є всі тварини, гриби, переважна більшість бактерій, деякі водорості і безхлорофільні вищі рослини.

Якщо класифікувати автотрофи за об'єктами живлення досить складно, оскільки всі вони "живляться" світлом або хімічно зв'язаною енергією, вуглекислим газом, водою і мінеральними солями, то класифікація гетеротрофів могла мати такий вигляд:

рослиноїдні (фітофаги);

м'ясоїдні (зоофаги);

мертвоїдні (детритофаги).

Виділення трьох основних категорій (фітофаги, зоофаги і детритофаги) сприяє систематизації різноманітних типів взаємодії між ресурсом і його споживачем (консументом) і, що особливо важливо, підкреслює роль споживача у вирішенні питання про життя або смерть кормового організму.

Спеціалізація консументів проявляється не лише у тому, що вони віддають перевагу рослинному, тваринному чи детритному корму, але й окремим частинам тіла своїх жертв. Це явище характерне для рослиноїдних тварин. Наприклад, окремі птахи вживають насіння певних видів рослин. Пасовищні тварини поїдають листя трав, не чіпаючи кореневищ. Деякі круглі хробаки (нематоди), а також личинки окремих жуків поїдають коріння, не завдаючи шкоди листям. Є й консументи-монофаги, які спеціалізуються на поїданні одного або близькородинних видів.

Типовим "універсалом", чи поліфагом, є лисиця, яка хоч і живиться переважно гризунами, включає у свій раціон залежно від сезону року плазунів, птахів, комах, ягоди, фрукти, горіхи, жолуді, баштанні, виноград. Типовим поліфагом є сорока, в шлунку якої виявлено 494 комахи, в тому числі жуків - 302, метеликів - 39, прямокрилих - 16, двокрилих - 14, бабок - 10. Крім того, було 112 павукоподібних, 35 ракоподібних, чотири молюски, три хребетні. Слід зазначити, що понад 80% здобичі мали довжину 0,6-1,5 см Крім характеру кормового об'єкта і ширини трофічного спектра, виділяють ще одну важливу рису живлення - спосіб поглинання. Наприклад, якщо спосіб життя рослини і мікроорганізмів в основному нерухомий і вони пасивно поглинають корм усією поверхнею або її спеціалізованими структурами (дифузноосмотичний спосіб живлення, осмотрофія), то більшості тварин властиве активне пересування і поглинання корму, що формує їх етологію (поведінку) споживання: випасання, переслідування, вичікування, збирання у зграї тощо.

Чим вужчий спектр вживаних організмом кормових ресурсів, тим тіснішим має бути просторовий зв'язок цього організму із його ресурсами або ж тим більші мають бути витрати часу і енергії на пошук необхідних ресурсів серед багатьох інших. Спеціалізація закріплюється особливими структурами організму, передусім ротовими частинами

Наявність і доступність багатьох кормових ресурсів залежить від пори року.

3. Дослідження біотичних взаємодій гідробіонтів3.1 Взаємодія як двигун еволюції та динаміки популяції

Динамізм популяції, який є запорукою життєдіяльності і життєздатності організмів, проявляється у взаємодії окремих особин як всередині власної популяції, так і з особинами інших популяцій. Розглянемо чотири процеси, які включають взаємодію між організмами, породжуючи природний відбір: конкуренцію, хижацтво, паразитизм і мутуалізм.

"Вірогідно, - пишуть М. Бігон, Дж. Харпер і К. Таунсенд, - вплив хижаків відіграє суттєву роль в еволюції їх жертв, а паразити впливають на еволюцію своїх господарів". Як передбачив Ч. Дарвін, якщо процес еволюції є значною мірою наслідком взаємодії між організмами, тобто між хижаками і жертвами, паразитами і господарями, між організмами, які-приносять взаємну користь, і між конкурентами, то можна очікувати, що екологічні й еволюційні процеси переплетені якнайтісніше.

Вивчаючи біотичні фактори, подані в третьому розділі, ми вже розглядали взаємодію як фактор середовища. Тепер нас цікавить це явище з еколого-популяційних позицій. Взаємодія живих організмів є своєрідним двигуном динамічного розвитку популяцій, а його пальним, зрозуміло, є біотичні й абіотичні ресурсів.

3.2 Конкуренція

Наведемо два визначення конкуренції, сформульовані американцями Р. Уіттекером і Р. Ріклефсом. "Конкуренцією, - пише Уіттекер, - вважаємо ситуацію, коли дві особини або дві видові популяції не мають достатньої кількості ресурсу середовища. Використання ресурсу однією особиною або одним видом зменшує споживання його іншою особиною або іншим видом, ріст і виживання визначаються нестачею цього ресурсу (вплив конкуренції можуть відчувати відразу обидва види)".Р. Ріклефс додає: "Конкуренцію можна визначити як використання якогось ресурсу (їжі, води, світла, простору) якимось організмом, який тим самим зменшує доступність цього ресурсу для інших організмів. Якщо конкуруючі організми належать до одного виду, то взаємовідносини між ними називають внутрівидовою конкуренцією, якщо ж вони належать до різних видів, то їх взаємовідносини називають міжвидовою конкуренцією. В обох випадках ресурс, який споживається однією особиною, не може бути використаний іншою особиною".

Дійсно, коли лисиця спіймає кролика, то для інших лисиць з популяції хижака стає однією порцією корму менше, причому не лише для лисиць, але й для рисі, яструбів та інших хижаків, які також хочуть вполювати кролика. Отже, обидва визначення базуються на одній концепції: внутрівидова і міжвидова конкуренція призводить до збіднення якогось ресурсу, незалежно від того, хто його споживає. В умовах степового лісорозведення лісівники зустрічаються з жорсткою конкуренцією за вологу, в якій часто перемагають не дерева, а трав'яні види, що веде до висихання лісонасаджень. Згодом у цій конкурентній боротьбі гинуть і окремі трав'яні види, які не можуть діставати вологу із нижчих горизонтів.

3.3 Хижацтво

Якщо конкуренція проявляється у взаємному впливі конкуруючих видів, то хижацтво - це однобічний процес, який характеризує стосунки між хижаком і жертвою.

Хижаки - це тварини або рослини, які полюють і поїдають жертву. Як правило, вони мають широке коло живлення, можуть мобільно переключатися з одної здобичі на іншу - доступнішу та чисельнішу. Якщо конкурентне виключення і еволюційна дивергенція, зводячи до мінімуму гостроту конкурентних стосунків, стабілізують структуру трофічних рівнів, то адаптації, сприятливі чи не сприятливі для хижака і жертви, не обов'язково ведуть до стабільності угруповання. З екологічної точки зору стосунки хижак - жертва є сприятливі для одного виду і несприятливі для іншого. Водночас обидва види формують такий спосіб життя і таке чисельне співвідношення, які врешті-решт забезпечать їм нормальне співіснування (популяції вовка і оленя).

Особливістю хижацтва є те, що в цих стосунках один вид витрачає багато кмітливості і енергії, щоби схопити і з'їсти жертву, а інший вид - щоби втекти. Перший і другий у процесі тривалої еволюції екологічно адаптувалися: хижак розвинув такі якості, як гострота органів чуття, блискавична реакція і швидкий біг та інше, жертва, в свою чергу - захисне (камуфляжне) забарвлення, панцирі, шипи, голки, отруйні викиди тощо. Співвідношення особин популяцій хижака і жертви, як правило, є таким, що забезпечує безмежно тривале співіснування видів, а отже, і біологічну регуляцію популяцій.

Типовими хижаками, наприклад серед ссавців, є котячі, вовк, лисиця, горностай, куниця, тюлені, моржі; поміж птахів - орел, яструб, сокіл; поміж риб - щука, окунь, форель. Є хижі рептилії (крокодил, алігатор), комахи і навіть гриби. Хижаки часто пов'язані переходами з паразитами, і багато комах займають проміжне становище між ними. Наприклад, оса, яка паразитує, може відкладати яйця в гусеницю. Яйце стає личинкою, яка живе в тілі гусениці і живиться її тканинами доти, доки не вб'є її. Личинки оси перетворюються в лялечку, з якої пізніше з'явиться оса. Остання є одночасно і паразитом, і хижаком єдиної жертви. Здавалось би, проста схема: хижак з'їдає жертву, а отже, скорочує чисельність популяції останньої із відповідними наслідками. Однак наслідки цього впливу проявляться не відразу, а можливо, через багато років. Тому виникає багато питань щодо способів впливу хижаків на їх жертви і наслідків взаємостосунків для угруповання в цілому. Наприклад, доки хижаки стабілізують популяцію жертви або, навпаки, зумовлюють коливання її чисельності. Чи обмежують хижаки популяцію жертви, утримуючи її на нижчому рівні, ніж дозволяє ємність середовища? Якщо хижаки настільки ефективні, що можуть скорочувати популяцію жертви, то як вони утримуються від надмірного її виїдання? Як впливають хижаки на конкуренцію між видами жертви? Чи спрямована діяльність хижаків на одержання максимального прибутку? Іншими словами, чи "пасуть" вони популяцію жертви? Відомий вчений і педагог Р. Ріклефс відразу дає відповідь на ним же поставлене питання: "На сучасному рівні наших знань ми не можемо дати певну відповідь на ці питання; частково це пояснюється тим, що немає такої відповіді, яку можна було б застосувати до всіх хижаків".

Спробуємо згрупувати окремі особливості взаємодії хижак-жертва, які суттєво впливають на функціонування угруповання. З усіх зарубіжних і вітчизняних авторів це найкраще зробив сам Р. Ріклефс, розглянувши в своїй праці такі проблеми: вплив хижака на популяцію жертви, цикли хижак-жертва; фактори, які забезпечують стабільність системи хижак-жертва; функціональна і чисельна реакції жертви; модель рівноваги системи хижак-жертва тощо. Окремо виділено питання взаємостосунків рослиноїдних тварин і популяцій рослин.

3.4 Позитивні форми взаємодії

Життя організмів характеризується не лише боротьбою, але й і багатьма формами взаємовигідного існування, яке склалося в процесі еволюції. Це, як зазначено вище, коменсалізм, протокооперація і мутуалізм.

Позитивні взаємодії популяцій розглянемо в тій послідовності, в якій вони формувалися в процесі еволюції: коменсалізм (перевагу чи користь має одна популяція), протокооперація (користь одержують обидві популяції) і мутуалізм (користь одержують обидві популяції, причому вони повністю залежать одна від одної).

Коменсалізм полягає передусім в односторонньому наданні притулку одним видом іншому. Характерним є те, що вид, який одержав для себе певну користь, не завдає помітної шкоди своєму доброзичливому господарю. Так поводить себе, наприклад, мальок ставриди під куполом медузи чи в мантійній порожнині каракатиці. Чимало коменсалів призвичаїлись жити в чужих норах, гніздах, дуплах, а також у мурашниках і термітниках, використовуючи середовище тварин-партнерів зі стабільним і сприятливим мікрокліматом.

Значно поширене прикріплення одних рослин до поверхні інших, причому перші використовують їх як опору (рослини-епіфіти). До епіфітів, зокрема, належать лишайники, які прикріпляються до кори дерев. У водяних угрупованнях рослини і тварини покриті плівкою з мікроорганізмів. Окремі види водяних тварин народжуються на поверхні інших, наприклад, на клешнях раків живуть п'явкоподібні черви, рибки-прилипки влаштовуються на тілі акул; деякі креветки живуть в сплетіннях отруйних щупалець актиній.

Протокооперація (взаємокорисне об'єднання двох популяцій, зв'язки яких необлігатні (необов'язкові)). Питанням протокооперації багато уваги приділяв В. О л лі, який вважав, що початкові стадії кооперації трапляються в природі повсюди. Класичний приклад протокооперації - взаємодія крабів і кишковопорожнинних, які, сидячи на спині краба, маскують його, оберігаючи таким чином від ворогів. Яка ж їм вигода від крабів? Передусім вони використовують крабів як транспортний засіб, а головне - їм потрапляє чмало їжі зі столу партнера. Однак ні краб, ні кишковопорожнинні не перебувають у повній залежності один від одного.

Вважають, що на останньому етапі еволюції, який триває і сьогодні, розвивається залежність однієї популяції від іншої. Таку категорію взаємодії називають мутуалізмом. У цих умовах зв'язок популяцій сприятливий для росту і виживання обох популяцій, причому в природі жодна з них не може існувати без іншої (рис.4.39). Мутуалізм ще називають облігатним (обов'язковим) симбіозом. Типові приклади мутуалізму трапляються лише у тому випадку, коли якийсь гетеротроф стає повністю залежним від автотрофа стосовно корму, а існування останнього автотрофа залежить від мінерального обміну, захисту й інших важливих функцій гетеротрофа. Такими є симбіотичні стосунки бобових рослин з азотофіксуючими бактеріями, які знаходяться в бульбочках, прикріплених до коріння рослин. Рослини постачають бактерії "збалансованою їжею", а бактерії живлять рослини азотом.

Поширеними є також мікоризні зв'язки, побудовані на взаємних стосунках вищої рослини і гриба. Гіфи гриба утворюють не лише чохли на дрібних всмоктуючих корінчиках рослини, але й глибоко проникають у тканину і навіть клітини коріння. Частина гіфів розгалужується в ґрунті чи мертвому відпаді. Все це сплетіння гіфів гриба є складною системою, яка поглинає неорганічні поживні речовини, щоби передати їх рослині, яка, в свою чергу, віддає певну частину поживи грибам.

4. Вплив антропогенних факторів на динаміку водних екосистем4.1 Сукцесійні зміни водойомів

Сукцесія (Від лат. Succesio - приємливість) - поступова зміна екосистем, приємливо з'являющихся на певній ділянці земної поверхні. Зазвичай сукцесія проходить під впливом процесів внутрішнього розвитку угрупувань, їх взаємодія з оточуючим середовищем.

Тривалість сукцесій складає від десятків до мільйонів років. Біоценоз перебуває в постійному розвитку. Організми, які його населяють, народжуються, живуть і вмирають. Процесові розвитку можуть сприяти або ж, навпаки, шкодити певні зовнішні та внутрішні фактори. Характерні типи цих змін, які відбуваються у біоценозі, такі:

1) сезонні;

2) різнорічні;

3) випадкові зміни, або сукцесії;

4) загальні зміни;

5) еволюція ценозів.

Чим менше акваторія і швидкість течії водного об’єкта, тим більше він схильний до сукцесійних змін. Прикладом може слугувати світовий океан, якій до сьогодні зазнає змін, і невелике озеро яке за 100-200 років досягне стадії клімаксу і перетвориться на болотистий лук або вологий ліс. Це добре видно на Рис.4.1.


Рис. 4.1 Сукцесія яка відбувається від озера до лісу.
На початку у природній (штучній) улоговині накопичилась вода, у неї зрозуміло потрапила органіка утворивши умови для нормального життя і розвитку молюсків і риб. За рахунок життєдіяльності і відмирання первинної фауни утворюються органічні донні відклади, на яких починає розвиватись підводні рослини, перші донні організми наприклад личинки комах, які в наступному стануть кормом земноводних тварин. Кількість відкладів збільшується, вони починають поступово перетворюватись на торф, на якому вже можуть рости водні рослини такі як рогоз, осока, очерет тощо. Активно розмножуються земноводні, кількість біомаси швидко росте, тим самим прискорюючи процес заболочення у результаті накопиченні торфу. На торфових покладах, починають рости вологолюбиві наземні рослини і навіть дерева, але все одно залишаються невелика частина відкритої водойми. У торфовому, багатому на органічні речовини ґрунті активно розвиваються рослини, які поступово розшаровуються на три яруси (трава, кущі, дерева). Це є клімаксові стадія водойми - ліс. Який вже майже не зазнає суттєвих змін, і збільшення загальної біомаси на цій території не відбувається.

4.2 Явище біоакумуляції

Накопичення речовин у біомасі екосистеми. Накопичуватись може будь яка речовина яка є у надлишку, але накопичується як правило забрудники (полютанти), яких не було раніше в екосистемі. В основному це важкі метали та радіонукліди, але й стійкі хімічні сполуки зустрічаються теж. Наприклад стійку формули найвідомішого інсектициду ДДТ знайшли у тканинах пінгвінів і північних птахів. Речовини які потрапляють у біосистему, акумулюються у ній мігруючи по ланцюгу живлення.

5. Розрахункова частина. кількісна оцінка видової структури популяцій5.1 Завдання

Дослідження взаємозв’язків між живими організмами на прикладі екосистеми озера (кількість організмів):

Розрахувати кількість взаємодій між видами у біоценозі.

Розрахувати індекс домінування.

Знайти індекс різноманітності Сімпсона.

Визначити три показники видової різноманітності популяцій.

Розрахувати показник загальної різноманітності організмів - індекс Шеннона.

Оцінити показник вирівнюванності Піелу.

5.2 Розрахунки

Кількість взаємодій між видами знаходимо за формулою (5.1):
, (5.1)
де S - загальна кількість видів.

Індекс домінування:
 (5.2)
де m_i - кількість особин і-го виду;

N - загальна кількість живих організмів.

Розраховуємо індекс різноманітності Сімпсона:
, (5.3)
де P_i - частка і-го виду.

Визначаємо три показники видової різноманітності популяцій:
 (5.4)

 (5.5)

 (5.6)
Обчислюємо показник загальної різноманітності організмів - індекс Шеннона:
(5.7)


Оцінюємо індекс Піелу:
 (5.8)