Геоботаника как наука

Геоботаника как наука

6

Г. как наука и учебная дисциплина; основные разделы. Место Г. в системе биологических наук. Цели и задачи Г.

Знание Г. необходимо каждому биологу, особенно работающему на уровне организмов, популяционном, видовом уровне и уровне сообществ, т. к. она позволяет познать структуру (отвечает на вопрос «как устроено растительное сообщество?») и динамику растительных сообществ (отвечает на вопрос «почему здесь произрастает именно такое сообщество и что будет здесь в будущем?»). Поэтому, как учебная дисциплина «Г.» («Фитоценология», «Фитосоциология») преподается во всех Университетах мира на биологических факультетах.

Г. - наука о растительном покрове Земли как совокупности растительных сообществ, или Ф.ов. Термин «Г.» был одновременно предложен в 1866 русским ботаником-почвоведом Ф.И. Рупрехтом и немецким ботаником А. Гризенбахом. Г. состоит из двух разделов (наук): фитоценологии (фитосоциологии (в западноевропейской литературе)) и географии растительности. Фитоценология - наука о Ф.ах. Термин «фитоценология» предложен австрийским фитоценологом Х. Гамсом в 1918 г. География растительности - наука о закономерностях географического распределения синтаксонов (растительных сообществ различного ранга) по поверхности Земли. Г. включает в себя и экологию (демэкологию и синэкологию), т. к. изучает вопросы взаимоотношений популяций видов и растительных сообществ с окружающей средой; и в тоже время именно по этим разделам Г. входит в экологию. Г. делится также на общую (рассматривает общие закономерности состава, структуры, динамики и географии растительных сообществ) и специальную (изучает особенности тех же свойств Ф.ов применительно к отдельным типам растительности: лесную растительность изучает лесоведение, растительность тундры - тундроведение, лугов - луговедение, болот - болотоведение, определением условий среды по растительности занимается индикационная Г.). Г. входит в междисциплинарный научный комплекс «Наука о растительности» «vegetations Science», который исследует закономерности отношения растений к условиям среды в пространстве и во времени начиная от уровня индивидуума и популяции и заканчивая инфраценотическим уровнем (флора, комплексы растительности). В данный комплекс наук также входят: экологическая физиология растений, популяционная биология и экология растений (демэкология), синэкология (экология сообществ), ботаническая география (включая географию растений (флористика, флорогенетика (история флор), хорология (наука об ареалах таксонов)) и географию растительности).

в 1910 г. Г. вышла из ботанической географии как самостоятельная

Цель Г. - познание причин и закономерностей формирования взаимоотношений растительных сообществ с условиями местообитания.

Основные задачи Г.:

1. Изучение состава и структуры Ф.ов.

2. Изучение закономерностей распределения Ф.ов по эколого-ценотическим градиентам и их динамики Ф.ов.

3. Выяснение зависимости фитоценотического состава растительного покрова, флористического состава Ф.ов и их структуры от биотических и абиотических факторов, воздействия человека.

4. Анализ фитоценотических отношений между популяциями растений и взаимоотношений растительных сообществ с условиями местообитания

5. Классификация, география и картографирование растительности.

6. Хозяйственная характеристика различных форм растительности и выявление путей их рационального размещения и устойчивого использования.

Понятие о фитоценозе. Понятие «экотоп», «биотоп», «биоценоз», «биогеоценоз». Схема взаимодействий компонентов биогеоценоза. Ф. как центральный компонент биогеоценоза. Свойства Ф.ов. Концепция (парадигма) континуума

v Ф. - это элементарный участок растительности, для которого характерно: относительная однородность по внешнему облику,

v видовому составу, строению и структуре,

v относительно одинаковой системой взаимоотношений между популяциями видов растений и средой обитания,

v и который может существовать самостоятельно вне данного окружения.

Ф. является частью биогеоценоза, его основным энергетическим блоком, аккумулирующим солнечную энергию.

Биогеоценоз - комплекс живых и косных (абиотических, неживых)) компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергии; является экосистемой, которая по границам совпадает с Ф.ом. Понятие «Биогеоценоз» было введено в 1942 г. академиком Владимиром Николаевичем Сукачевым.

Ф. является центральным компонентам биогеоценоза по 2 причинам:

1. Он определяет границы биогеоценоза.

2. Является главным аккумулятором энергии и вещества в биосфере Земли. Доказательство: фитомасса составляет 95-98% всей биомассы планеты Земля.

Свойства Ф.а:

1. Континуум - свойство растительных сообществ (Ф.ов) постепенно переходить друг в друга (сменять друг друга во времени и пространстве).

2. Ф. является материальной системой.

3. Ф. - динамичная система, которая изменяется во времени и пространстве.

4. Ф. - сложная система, для которой характерна вертикальная и горизонтальная неоднородность.

5. Ф.у присуща эмергентность (англ. emergence от лат. emergo - появляться, выходить) - степень несводимости свойств сложной системы (Ф.а) к свойствам отдельных ее элементов (популяций видов растений, входящих в данный Ф.). У разных сообществ разный уровень эмергентности: у разомкнутых сообществ аридных зон (пустынь) она приближается к нулю, и сообщество можно рассматривать как простую сумму популяций; у сомкнутых Ф.ов с интенсивной интерференцией (конкуренцией) и дифференциацией ниш эмергентность повышается.

6. Ф.ам присуще адекватное поведение (реакция), стратегия которого направлена на выживание, оптимальное размещение популяций видов растений во времени и пространстве с целью максимального использования ресурсов окружающей среды.

7. Ф.ам присуща относительная устойчивость к неблагоприятным условиям среды, которая реализуется за счет выработки адекватных адаптаций популяций видов растений, слагающих конкретный Ф.

Этапы становления и развития Г. как науки

1. Предистория (допарадигмальный период). В этот период Г. была частью ботанической географии, не имела своего понятийного аппарата, четко поставленных задач. Этот период уходит своими корнями в 16 век и продолжался вплоть до 1910 г., когда состоялся 3 Международный ботанический конгресс в г. Брюссель, где впервые было сформулировано определение основного синтаксона (единицы классификации) растительности - ассоциации.

2. История (период парадигмы дискретности растительности, организмизма) (1910-1960_е). Данная парадигма была названа так потому, что в ее основе лежала идея сходства между Ф.ом и организмом. Ф.ы представлялись с четкими естественными границами, и считалось, что все Ф.ы можно объективно пересчитать, т.е. создать естественную классификацию Ф.ов.

3. Современны этап (период парадигмы континуума) (с 1970_х до наших дней). Ф.ы постепенно (континуально) переходят друг в друга (сменяют друг друга во времени и пространстве) и поэтому границы между ними условны и зависят от того, в каком масштабе мы разобьем континуум Ф.ов на условно однородные части (синтаксоны).

Понятие флора, растительность, растительный покров. Их взаимодействие и взаимообусловленность

Флора - исторически сложившаяся совокупность видов растений произрастающих или произраставших в прошлые геологические эпохи на определенной территории или акватории.

Растительность - совокупность растительных сообществ (Ф.ов) произрастающих или произраставших на определенной территории или акватории.

Растительный покров (растительный мир) - безранговая система растительного мира, которая включает в себя флору и растительность.

Таким образом, Ф. - форма совместного существования растений на определенной территории или акватории. Содержанием этой формы являются сложные биоценотические взаимоотношения, которые связывают между собой все компоненты Ф.а (в широком смысле, биоценоза) в единую, развивающуюся в пространстве и во времени, саморегулирующуюся систему, все звенья которой воздействуют друг на друга и в значительной мере друг друга обусловливают.

Представление о консорции: структура и функции. Роль биотических факторов в формировании растительности

Сочетание разнородных организмов, тесно связанных друг с другом в их жизнедеятельности известной общностью их судьбы. Напр., древесная порода (ель, береза) со свойственными ей паразитами (лишайник), симбиозом (гриб), вредителями, переносчиками семян и т.д.

Основу консорции сост_т популяция самостоятельно существующего в пределах фитоценоза автотрофного растения. Кроме того сюда входят:

v Гетеротрофные цв. растения.

v Паразитирующие бактерии.

v Растения-полупаразиты.

v Грибы-паразиты.

v Клещи, черви, насекомые.

Детерминантом консорции может быть как автотрофный, так и гетеротрофный организм. Соответственно, консорции можно разделить на две группы: автотрофно детерминированные и гетеротрофно детерминированные. Если ядром консорции является отдельная особь, то такие консорции называются индивидуальными. Индивидуальные консорции являются элементарными структурными единицами биогеоценоза. Они, в свою очередь, объединяются в популяционные консорции (совокупность организмов, связанных с популяцией детерминанта консорции), видовые консорции и т.д. Все это не что иное, как объединение (типизация) индивидуальных консорций.

Контактные взаимоотношения между растениями. Типы, их характеристика

Так, к примеру, В.Н. Сукачев (1956) предложил все формы взаимодействий растений между собой разделить на три большие группы:

контактные взаимодействия, возникающие при полном контакте растений, при их соприкосновении, срастании или даже при проникновении одного растения в тело другого. Это может быть паразитизм и полупаразитизм, срастание корней, влияние лиан, охлестывание ветвями или же давление корневищ и корней при их разрастании;

трансабиотические взаимоотношения, возникающие в результате изменения растениями условий существования сообитателей (конкуренция, выделение растениями в окружающую их среду различных веществ, формирование мертвого опада, а также изменение растением условий окружающей его среды);

трансбиотические взаимоотношения, возникающие в результате косвенного влияния одного организма на другое через изменение условий существования третьего организма.

Различают отношения м/у организмами и средой, м/у особями разных видов и м/у особями одного вида.

Организмы м/взаим-ть друг с другом постоянно, в теч. всей жизни или вз-ть кратковременно, при этом они либо непоср-нно соприкосаются друг с другом, либо оказывают влияние на другой организм.

Симбиоз - такие отношения м/у организмами, обычно относящимися к разным видам и находящимися в более или менее длительном контакте, при кот. один или оба трагизма извлекают из этих отношений пользу и не один не испытывает ущерба.

Паразитизм - отношения м/у организмами обычно относящимися к разным видам, при которых один из них паразит проводит какое-то время на теле или в теле др. организма, получая питания из его тканей.

Хищничество - отношения м/у организмами обычно относящимися к разным видам, при кот. один из организмов хищник питается за счет второго организма жертвы. Хищник сам реализует свои связи с внешней средой.

Антибиоз - отношения м/у организмами обычно относящимися к разным видам, при кот. один из организмов причиняет вред другому (выделением вредных ве_в), не извлекая для себя из этих отношений видимого преимущества.

Конкуренция - борьба за пищу, за место или за какие-то другие условия существования м/у организмами, относящимся к одному или разным видам.

Антагонистические отношения - все те отношения, при которых один или оба организма испытывают ущерб

Трансфитогенные (трансабиотические) взаимоотношения между растениями. Типы и их характеристика

Микориза - симбиотические отношения м/у высшими раст. и грибами. Суть была установлена Каменским, что подъельник не может развиваться из семян в отсутствие опр. вида гриба в окр. среде.

Для высш. растений, на корнях кот. поселяются грибы, характерен особый тип питания-микотрофный.

Микориза: эктотрофная - однолетняя и эндотрофная -.

Наличие в фитоценозе грибов, образующих микоризу, в значительной степени определяет видовой состав высших растений, входящих в этот фитоценоз, и служит немаловажным фактором в их борьбе за существование м/у растениями, т. к. отсутствие микоризы у растений, склонных к микотрофному питанию замедляет темпы их развития.

Эпифиты. Отношения эпифитов к их хозяевам м/быть определены как комменсализм, при котором один из вступающих в эти отношения видов получает какое-либо преимущество, а второй не терпит ущерба. Преимущество при этом получает эпифит. Э.м/затруднять рост и ассимиляцию, способность загнивания тканей хозяина вследствие повышения влажности.

Обитают: на дереве (крона, основание кроны, ср. часть ствола, основание ствола).

Эпифиллы - эпифиты, обитающие на листьях растений.

Сапрофиты - раст. организмы, живущие частично или полностью за счет отмерших органов животных и растений.

Лианы - растения со слабыми стеблями, нуждающимися в како-то опоре, чтоб подняться вверх.

Душители - начинают развитие в кач. эпифитов. обр_т корни двух родов: одни плотно прилегают к коре дерева-хозяина, другие свешиваются вертикально вниз и достигнув почвы, ветвятся в ней, доставляя душителю воду и мин. ве-ва.

Роль экологических и биологических свойств видов растений в определении их конкурентоспособности. Схема действия экологических факторов на растение: оптимум, субоптимум, пессимум, минимум, максимум. Причины наличия симметричной зависимости параметров растения от экологических факторов. Двухвершинная зависимость накопления вторичных метаболитов в растениях. Реактивность и чувствительность популяций видов растений к экологическим факторам.

Аллелопатия как форма транабиотических взаимоотношений растений: определение, классификация аллелопатических в-в., типология и механизмы действия колинов, критерии доказательства наличия явления аллелопатического эффекта; роль аллелопатии во взаимоотношениях между популяциями видов растений, примеры.

Аллеопатия - взаимоотношения м/у растениями, в которых ведущую роль играют специфически действующие продукты обмена веществ. К этим явлениям относится влияние растений друг на друга через вырабатываемые ими выделения.

Ве-ва выделяемые надземными и подземными органами живых растений и органич. соединения, получающиеся в процессе разложения мертвых раст. остатков и оказывающие влияние на др. растения - наз-ся колинами.

Среди газообразных выделений большую роль играет этилен, выделяемый напр. яблоками.

Аллелопатические эффекты наглядно проявляются в экспериментах в замкнутых искусственных системах - чашках Петри, под стеклянными колпаками, в вегетационных сосудах с использованием концентрированных вытяжек из растений или смывов с них. Однако в природных фитоценозах аллелопатические влияния, как правило, существенной роли не играют, так как там нет условий для накопления действующих веществ. Дело в том, что большинство из них является летучими терпенами или фенольными соединениями, и их концентрация постоянно понижается ветром, водой, микроорганизмами. Кроме того, в природе практически невозможно разграничить аллелопатию и конкурентные отношения между растениями.

В научной литературе имеются также данные о том, что между корнями растений также возможны аллелопатические взаимоотношения. Это приводит к тому, что корни растений разных видов равномерно распределяются в объеме почвы и практически не сталкиваются друг с другом. При этом предполагается, что роль сигнала «занято» могут выполнять выделяемые из корней в почву органические кислоты, хотя, в то же время, имеются данные и о том, что эту роль играют и электрические сигналы.

Многие ученые пытались объяснить аллелопатическим эффектом почвоутомление, то есть снижение урожая при длительном выращивании на почве одной и той же культуры. Однако в дальнейшем было установлено, что, кроме накопления в почве токсических веществ (аллелопатии), почвоутомление все же в большинстве случаев вызывается увеличением в почве числа патогенных микроорганизмов, а также потерей плодородия почвы вследствие извлечения монокультурой одних и тех же веществ, разрушением структуры почвы и т.д.

Трансфитотрофные (трансбиотические) взаимоотношения. Типы и их характеристика

Как правило, в состав консорций входят бактерии (включая актиномицеты и цианобактерии), грибы, животные (главным образом членистоногие, особенно насекомые). Между растениями и непосредственно связанными с ними консортами возникают многочисленные типы взаимоотношений, из которых наиболее важными являются три типа взаимоотношений:

оказывающие отрицательное воздействия на растение, но выгодные для консортов (паразитизм и хищничество);

взаимовыгодные как для растений, так и для их консортов (мутуализм);

выгодные для консортов, но не оказывающие сколь бы то ни было значительного воздействия на растение (комменсализм).

В подавляющем большинстве случаев (за исключением взаимоотношений растений с эпифитами) взаимоотношения между растениями и их консортами являются взаимоотношениями организмов различных трофических уровней.

Среди животных, поедающих живые органы растений, имеются виды, употребляющие в пищу древесные растения, травы, водоросли, лишайники, реже - мхи. У сосудистых растений животные поедают как генеративные (цветки, плоды, семена), так и вегетативные органы (у древесных растений иногда только кору). В любом случае фитофаги используют энергию и пластические вещества растений для поддержания своей жизнедеятельности и, тем самым, ослабляют их. Среди животных различают моно- и олигофагов, питающихся одним или немногими видами растений, и полифагов, поедающих многие виды растений. У растений выработались механизмы, снижающие вред, приносимый фитофагами. Это шипы, колючки, сильное опушение, различные вещества: токсины (ядовитые вещества), детерренты (вещества, понижающие питательную ценность и усвояемость растений) и репелленты (отпугивающие вещества). В результате этих приспособлений растение делается либо слабо доступным для фитофагов, либо непригодным в пищу.

Среди паразитов представлены вирусы, бактерии, актиномицеты, грибы, водоросли, растения и животные. Паразиты не только получают от хозяина вещество и связанную в нем энергию, чем ухудшают его жизнедеятельность, но и выделяют в тело хозяина свои метаболиты. Паразиты могут, поражая фотосинтезирующий аппарат, сокращать его поверхность; выделяя в ткани растения токсины, задерживать рост и развитие; нарушая воспроизводящую систему хозяина, снижать его семенную продуктивность и т.д. Они могут либо убить растение, либо настолько его ослабить, что под влиянием здоровых конкурентов оно гибнет. Грибные и бактериальные паразиты распространены очень широко: они, вероятно, встречаются во всех наземных фитоценозах и поражают как наземные, так и подземные органы растений. Различия в поражении растений фитопатогенными бактериями и грибами связаны с различными причинами: условиями среды (влажностью воздуха, температурой, освещением, степенью аэрации почвы, ее реакцией, обеспеченностью элементами минерального питания и др.), жизненным состоянием растений, наличием или отсутствием промежуточных хозяев и т.д. Так, к примеру, ржавчинные грибы массово размножаются во влажных местообитаниях и во влажные годы или сезоны года. Поражение растений мучнисторосяными грибами возрастает при сокращении фотопериода в конце лета. По-видимому, не поражаются или почти не поражаются грибными паразитами растения-гидрофиты и гидатофиты, поскольку вода не является благоприятной средой для развития фитопатогенных грибов.

В мутуалистические взаимоотношения с автотрофными растениями вступают грибы, актиномицеты, бактерии, водоросли, животные. У всех голосеменных и почти у 80% покрытосеменных обнаружена микориза, то есть имеет место симбиоз с грибами. Редко встречается микориза лишь у водных и околоводных растений, а также у растений, поселяющихся на субстратах с еще не сформированной почвой (многие крестоцветные, маревые, амарантовые, маковые и др.). Микоризы нет также у большинства насекомоядных и паразитных растений.

При формировании микоризы сосуществование растения и микоризообразующего гриба является взаимовыгодным. Гриб в качестве энергетического материала получает от растения углеводы, а также различные биологически активные вещества: витамины, фитогормоны и др. Растения же за счет гриба приобретают дополнительную всасывающую поверхность, в результате чего увеличивается поступление воды и минеральных веществ из почвы. В частности, микоризообразующие грибы способны активно поглощать и передавать растению малоподвижные в почве ионы ортофосфорной кислоты и ионы аммония.

К комменсализму можно отнести взаимоотношения между растениями и не фиксирующими атмосферный азот ризосферными бактериями; с водорослями, грибами, лишайниками и мхами, поселяющимися на коре деревьев; с птицами и летучими мышами, поселяющимися в дуплах, и др. Так, к примеру, поселяясь на ветвях и стволах деревьев и образуя сомкнутые покровы, эпифиты способны изменять температурный режим, химизм и влажность коры, причем в ряде случаев этим они могут создавать благоприятные условия для различных паразитов и фитофагов. Поглощая воду, стекающую по ветвям и стволам, они уменьшают ее поступление в почву и препятствуют использованию деревьями вымытых из их крон веществ. Поселяясь на зеленых стеблях и листьях, особенно в тропиках, эпифиты снижают способность растений к фотосинтезу.

Эксперимент Г. Элленберга (1952). Аутэкологические и синэкологические ареалы и оптимумы растений. Примеры. Причины несовпадения аут- и синэкологических оптимумов вида растения.

Аутэкологические оптимум и амплитуда могут быть установлены только в эксперименте с чистыми одновидовыми посевами при оптимальных для исследуемого вида значениях всех остальных экологических факторов. Синэкологические оптимум и амплитуда выявляются на основе наблюдений в естественных условиях с охватом всех типов местообитаний исследуемого вида.

Аут- и синэкологические оптимумы и амплитуды обычно не совпадают (рис. 4), и причины этого могут быть различными. Так, оптимальные для вида значения какого-либо фактора могут различаться в зависимости от выраженности иных экологических факторов. Существенно влияет на синэкологическую амплитуду и фитоценотическая обстановка. Сильные конкуренты и виды, сильно изменяющие среду, могут вытеснять более слабые виды из благоприятных для них условий местообитания, вследствие чего их синэкологическая амплитуда становится заметно уже аутэкологической (рис. 4а). Может также происходить и сдвиг синэкологического оптимума по отношению к аутэкологическому (рис. 4б). Так, несмотря на то, что овсик извилистый (Avenella flexuosa) имеет довольно широкую экологическую амплитуду по отношению к кислотности почвы (pH от 3 до 7), в природе он встречается практически исключительно на сильнокислых почвах, так как только в таких условиях он является в достаточной степени конкурентноспособным. Как мы видим, синэкологический оптимум данного вида сильно сдвинут в сторону аутэкологического пессимума. Иногда отдельные виды могут почти полностью вытесняться из благоприятных для них условий, благодаря чему появляются два синэкологических оптимума (рис. 4в). К примеру, сосна обыкновенная (Pinus sylvestris) имеет два синэкологических оптимума по отношению к фактору увлажнения - верховые болота и сухие песчаные почвы. Именно в этих природных условиях сосна является в достаточной степени конкурентноспособным видом и формирует коренные сосновые леса. В то же время, как показывают результаты культивирования этого вида, наиболее продуктивные сообщества формируются при посадке сосны на свежих почвах. То есть, аутэкологический оптимум данного вида лежит в условиях средних значений фактора увлажнения почвы. Не следует думать, что оптимумы всегда и значительно отличаются друг от друга. У конкурентно сильных видов и мощных эдификаторов тот и другой оптимумы обычно совпадают. Кроме того, совпадение может наблюдаться в отсутствии конкурентов при обитании в экстремальных условиях, например засоления.

Страницы: 1, 2, 3, 4