Что такое геоботаника растений
Геоботаника
Геоботаника (от др.-греч. γῆ — земля и βοτανικός — относяйщийся к растениям) — раздел биологии на стыке ботаники, географии и экологии. Это наука о растительности Земли, о совокупности растительных сообществ (фитоценозов), их составе, структуре, динамике в пространстве и времени на всей территории и акватории Земли.
Содержание
Терминология
В отечественной науке геоботаника рассматривается как синоним фитоценологии. Эти два наименования используются параллельно и оба достаточно распространены. Термин «геоботаника» подчёркивает значение природной среды (почв, климата и т. д.) для организации фитоценозов, термин «фитоценология» произошёл от объекта изучения науки — фитоценозов.
В европейской традиции более распространён термин «фитосоциология», который подчёркивает взаимоотношения между растениями как основу организации фитоценозов, подразделяется на фитоценологию, и фитоценохорологию (географию растений) и историческую геоботанику. Фитоценология изучает особенности сложения растительных сообществ, или фитоценозов, их динамику и классификацию.
Термин «геоботаника» был предложен в 1866 году одновременно русским ботаником и почвоведом Ф. И. Рупрехтом (1814—1870) и австрийским ботаником А. Гризебахом (1814—1879), термин «фитоценология» — в 1918 году австрийцем Х. Гамсом.
Предмет изучения
Наиболее общее понятие геоботаники и предмет её изучения — растительный покров — это вся совокупность растений образующих растительные сообщества разных типов растительности в пределах определённого участка земной поверхности вне зависимости от его величины. Растительный покров расчленяют на отдельные пространственные единицы — фитоценозы. Фитоценоз — растительное сообщество, в пределах которого растительный покров имеет сходство по флористическому составу, структуре, взаимоотношениям между растениями-сообитателями. Совокупность фитоценозов отдельных регионов или районов земной поверхности называют растительностью (например, растительность Европы, растительность Московской области и т. д.).
Концепции организации растительного покрова
Развитие фитоценологии в XX столетии характеризовалось наличием двух противоположных концепций природы растительного покрова. Это обусловило различные пути изучения растительности в зависимости от предпочитаемой концепции. Первая — концепция дискретности растительного покрова — рассматривает сообщества как реальные, объективно существующие исторически обусловленные единицы, отделённые один от другого более или менее тонкими границами. Это концепция получила широкое распространение на начальных эпапах развития фитоценологии 1910-е-1950-е годы и связано с именами ведущих геоботаников того времени — Ф. Клементса (США) и В. Н. Сукачёва (Россия). Сообщество рассматривается как некий аналог организма с относительно жёстко детерминированной структурой и динамикой.
Вторая концепция — концепция континуализма — рассматривает фитоценозы как условности, искусственно выделенные из растительного континуума. Она начала вытеснять концепцию дискретности с 1950-х годов. Это концепция основывается на индивидуалистической гипотезе, впервые сформулированной русским учёным Л. Г. Раменским в 1910 году. Суть этой гипотезы в том, что каждый вид специфичен по своим отношениям к внешней среде и имеет экологическую амплитуду, не совпадающей полностью с амплитудами других видов (то есть каждый вид распределенный «индивидуалистически»). Каждое сообщество образовывают виды, экологические амплитуды которых перекрываются в данных условиях среды. При смене какого-нибудь фактора или группы факторов постепенно уменьшают богатство и исчезают одни виды, появляются и увеличивают богатство другие виды, и таким путём свершается переход от одного типа растительных сообществ к другому. Ввиду специфичности (индивидуальности) экологических амплитуд видов эти смены происходят не синхронно, и при постепенной смене среды растительность изменяется также постепенно. Потому объективно существующих сообществ с детерминированной структурой и динамикой выделить невозможно.
Сегодня считается, что растительный покров представляет собой сложное единство дискретности и континуальности. В суббореальных и бореальных лесах степень дискретности возрастает; на лугах, в степях, тропических лесах она уменьшается и возрастает степень континуальности.
Геоботаника: как растения помогают найти новые месторождения
90% алмазов на нашей планете находятся в образованиях, известных как «кимберлитовые трубки». Расплавленная кимберлитовая порода прорывалась на поверхность земли, вынося с собой сформированные на глубине в сотни километров драгоценные кристаллы алмазов, гранатов, цирконов.
Найденная кимберлитовая трубка еще не означает обязательное присутствие в ней алмазов, но примерно каждая десятая действительно становится новым центром добычи драгоценных камней.
Совершенно недавно ученые обнаружили способ найти новые трубки, спрятанные под растительным покровом африканских экваториальных лесов. В этом помогает растение, которое, как выяснилось из наблюдений, растет преимущественно над кимберлитом.
Тот самый «канделябровый пандан», растущий на кимберлите
Малоизученное растение из рода пальм, названное «канделябровый пандан», обитает на довольно обширной территории, от Камеруна до Сенегала. Листьями он напоминает драцену, имеет длинные воздушные корни и достигает высоты трехэтажного дома.
Геологи предположили, что любовь пандана исключительно к кимберлиту вызвана потребностью растения в богатой калием, фосфором и магнием почве. Американский геолог Стивен Хэггерти, открывший связь пандана и кимберлита в 2013 году, считает, что геоботаника, то есть наука о связи ареалов распространения растений с месторождениями полезных ископаемых, поможет странам центральной Африки поднять свою экономику с помощью новых разработок минералов.
Плод пандана
О наличии алмазов в центральной Африке известно давно, но поиск кимберлитовых трубок в джунглях практически невозможен. Месторождения алмазов до сей поры искали, просеивая песок и речные отложения в водоемах, но теперь открытие новых центров добычи может быть поставлено на поток.
Viscaria aplina, «альпийская смолка», спутник месторождений меди
А в Африке есть растение, которое даже прозвали медным цветком, этот многолетник, произрастающий в Зимбабве и Танзании встречается только на почвах, содержащих в солидных количествах медь и никель.
«Медный цветок» Ocimum centraliafricanum
О том, как термиты помогают находить алмазы, я уже писала. Геологи всегда берут образцы термитников в качестве отправной точки для разведки, поскольку эти насекомые в поисках воды способны доставать грунт с глубины до 70 метров.
Так что, просто взяв образец термитника, геологи могут получить хорошее представление о том, какие минералы и металлы могут быть найдены в земле под ним, это, пожалуй, самый дешевый способ тестирования почв. Благодаря термитам были найдены не только месторождения алмазов, но и золото, никель, медь и свинец.
Конспект лекций по курсу «Геоботаника»
Созинов О.В.
ГрГУ им. Я. Купалы
Геоботаника как наука и учебная дисциплина; основные разделы. Место геоботаники в системе биологических наук. Цели и задачи геоботаники
Знание геоботаники 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 «Геоботаника» («Фитоценология», «Фитосоциология») преподается во всех Университетах мира на биологических факультетах.
Геоботаника – наука о растительном покрове Земли как совокупности растительных сообществ, или фитоценозов. Термин «Геоботаника» был одновременно предложен в 1866 русским ботаником-почвоведом Ф.И. Рупрехтом и немецким ботаником А. Гризенбахом. Геоботаника состоит из двух разделов (наук): фитоценологии (фитосоциологии (в западноевропейской литературе)) и географии растительности. Фитоценология – наука о фитоценозах. Термин «фитоценология» предложен австрийским фитоценологом Х. Гамсом в 1918г. География растительности – наука о закономерностях географического распределения синтаксонов (растительных сообществ различного ранга) по поверхности Земли. Геоботаника 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 геоботаника входит в экологию. Геоботаника делится также на общую (рассматривает общие закономерности состава, структуры, динамики и географии растительных сообществ) и специальную (изучает особенности тех же свойств фитоценозов применительно к отдельным типам растительности: лесную растительность изучает лесоведение, растительность тундры – тундроведение, лугов – луговедение, болот – болотоведение, определением условий среды по растительности занимается индикационная геоботаника). Геоботаника 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).
Цель геоботаники – познание причин и закономерностей формирования взаимоотношений растительных сообществ с условиями местообитания.
Основные задачи геоботаники:
Понятие о фитоценозе. Понятие «экотоп», «биотоп», «биоценоз», «биогеоценоз». Схема взаимодействий компонентов биогеоценоза. Фитоценоз как центральный компонент биогеоценоза. Свойства фитоценозов. Концепция (парадигма) континуума.
Основной объект фитоценологии – фитоценоз. Термин предложен И.К. Пачоским в 1915г., а в 1918г. независимо от И.К. Пачоского сформулирован Х. Гамсом.
Фитоценоз – это элементарный участок растительности, для которого характерно: относительная однородность по внешнему облику, видовому составу, строению и структуре, относительно одинаковой системой взаимоотношений между популяциями видов растений и средой обитания, и который может существовать самостоятельно вне данного окружения.
Фитоценоз – это частный, конкретный, уникальный случай растительного сообщества, его элементарная форма, далее не делимая без потери своих свойств. По сути, фитоценоз – совокупность популяций видов растений, которые связаны с условиями среды и между собой в границах более или менее однородного по экологическим режимам участка территории или акватории.
Фитоценоз является частью биогеоценоза, его основным энергетическим блоком, аккумулирующим солнечную энергию.
Биогеоценоз – взаимообусловленный комплекс живых и косных (абиотических, неживых)) компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергии; является экосистемой, которая по границам совпадает с фитоценозом. Понятие «Биогеоценоз» было введено в 1942г. академиком Владимиром Николаевичем Сукачевым. Экосистема – безранговая, безразмерная функциональная система, состоящая из сообществ живых организмов и среды их обитания. Понятие «экосистема» введено в 1935г. английским геоботаником А. Тенсли. Как говорил В.В. Мазинг (1966г.) размер экосистемы может быть «от кочки до оболочки» (капля дождя, дерево, биогеоценоз, биосфера, пилотируемый космический корабль et cetera). Элементарная единица биогеоценоза – консорция. Биогеоценоз состоит их биоценоза и экотопа.
Экотоп – определенный режим экологических факторов (воздушный, водный, температурный, минерального питания, температурно-радиоционный и др.) на участке земной поверхности. Состоит из климатопа и эдафотопа и/или гидротопа.
Биоценоз – сообщество организмов в пределах биотопа. Термин «биоценоз» впервые был предложен в 1887г. немецким биологом К. Мебиусом. Биоценоз состоит из: фитоценоза, зооценоза и микробоценоза.
Биотоп – участок земной поверхности (суши или водоема) с проживающими на нем живыми организмами и однородными абиотическими условиями среды, т.е. экотоп, преобразованный живыми организмами (биоценозом).
Границы биогеоценоза определяются по горизонтали границами входящего в него фитоценоза, а по вертикали – высотой надземных органов растений и глубиной проникновения их подземных органов, а также микроорганизмов
.
Фитоценоз является центральным компонентам биогеоценоза по 2 причинам:
Свойства фитоценоза:
Этапы становления и развития геоботаники как науки
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 (фитоценозов) произрастающих или произраставших на определенной территории или акватории.
Растительный покров (растительный мир) – безранговая система растительного мира, которая включает в себя флору и растительность.
© Беликович А.В., Галанин А.В.: содержание, идея, верстка, дизайн
Все права защищены. 2006 г.
История геоботаники
Историю геоботанической науки можно условно разделить на три периода: допарадигмальный период, период парадигмы дискретности растительности и современный период.
Содержание
Допарадигмальный период
Как и любая наука, геоботаника в допарадигмальный период представляла собой эклектичное соединение различных альтернативных гипотез и конкурирующих научных сообществ, каждое из которых, отталкиваясь от определенных фактов, создает свои модели без особой апелляции к каким-либо внешним авторитетам.
Первые, фрагментарные исследования растительности относятся к XVI—XVII векам. Исследования растительного покрова до начала XX века проводились в рамках ботанической географии, геоботаника в самостоятельную науку не выделялась, своего понятийного и терминологического аппарата не имела. В то же время значительный импульс для системных исследований растительности дали исследования русского учёного В. В. Докучаева (1846—1903).
В начале ХХ века исследования растительный сообществ приобрели значительный масштаб, так что возникла необходимость координации исследований и утверждения единой терминологии новой науки.
Период парадигмы дискретности растительного покрова
Рождением геоботаники как науки, считается 1910 год, когда на III Международном ботаническом конгрессе в г. Брюсселе впервые было предложено наименование основного синтаксона (единицы классификации) растительности — ассоциации. Фитоценозы в этот период рассматривались как исторически сложившиеся реально существующие образования с детерминированной структурой более или менее отграниченных друг от друга. Такой подход был основан на аналогии растительного сообщества и организма, поэтому эта парадигма также получила название организмизм. Исследователи находились под влиянием «запечатления» (Мейен, 1977) закономерностей, выявленных при изучении организмов, и подсознательно стремились увидеть на фитоценотическом уровне организации растительности индивидуумы, подобные растениям и типологические единицы, подобные видам растений.
Именно такой подход применяли крупнейшие и авторитетнейшие геоботаники того времени — Ф. Клементс и В. Н. Сукачёв.
Современный период (период парадигмы континуальности растительного покрова)
Началом современного периода в истории геоботаники считается середина ХХ века, когда на смену понимания растительного покрова как совокупности дискретных фитоценозов пришла концепция растительного покрова, как континуума. рассматривает фитаценозы как условности, искусственно выделенные из растительного континуума. Она начала вытеснять концепцию дискретности с 1950-х годов. Это концепция основывается на индивидуалистической гипотезе, впервые сформулированной русским ученым Л. Г. Раменским в 1910 году. Суть этой гипотезы в тем, что каждый вид специфичен по своим отношениям к внешней среде и имеет экологическую амплитуду, не совпадающей полностью с амплитудами других видов (то есть каждый вид распределенный «индивидуалистически»). Каждое сообщество образовывают виды, экологические амплитуды которых перекрываются в данных условиях среды. При смене которого-нибудь фактора или группы факторов постепенно уменьшают богатство и исчезают одни виды, появляются и увеличивают богатство другие виды, и таким путям свершается переход от одного типа растительных сообществ к другого. Ввиду специфичности (индивидуальности) экологических амплитуд видов эти смены происходят не синхронно, и при постепенной смене среды растительность изменяется также постепенно. Потому объективно существующих сообществ с детерминированной структурой и динамикой выделить невозможно.
Воззрения Раменского и ряда зарубежных учёных, выдвигавших аналогичные идеи не были поняты и приняты в геоботаническом сообществе до 1950-х годов. Это связано, как с неподготовленностью научного сообщества к принятию новаторских идей континаулистов, так и с колоссальным авторитетом исследователей, стоящих на организмистских позициях.
«Реанимация» идей первых континуалистов произошла в 1950-1960-х годах. В СССР системные исследования, основанные на континуалистской парадигме начались в начале 1970-х годов усилиями в первую очередь В. И. Василевича, В. Д. Александровой и Б. М. Миркина.
В настоящее время практически повсеместно преобладает взгляд на растительный покров, как на континуум, однако считается, что в различных экологических условиях степень континуальности может быть различна: она повышается в степях, в условиях лугов, рудеральных сообществ, тундры и т. п. и понижается в бореальных, суббореальных и субтропических лесах.
Геоботаника как наука
Геоботаника (от греческого ge – земля и botanicos – относящийся к растениям) – это наука о растительном покрове Земли как совокупности растительных сообществ. Геоботаника изучает состав, строение, классификацию, закономерности формирования, развития и размещения растительного покрова Земли и его связь с окружающей средой. Она охватывает весь спектр взаимоотношений в пределах одного растительного сообщества, между отдельными сообществами, а также между растительным сообществом и окружающей его природной средой. Термин «геоботаника» для учения о растительном покрове был предложен в 1866 г. одновременно и независимо друг от друга русским ботаником Ф. И. Рупрехтом и немецким ботаником А. Гризебахом.
Перед тем, как перейти к рассмотрению структуры геоботаники, следует остановиться на некоторых терминах и, в первую очередь, на таких, как «флора» и «растительность». Флора– исторически сложившаяся совокупность видов растений на определенной территории. Флористика изучает флоры, историю их формирования, распределение отдельных видов (ареалы видов) на определенной территории, их распространение и т.д. При этом основной единицей флористики является вид как таксономическая категория.
Растительность – это совокупность растительных сообществ (фитоценозов) на какой-либо территории, то есть совокупность растений, произрастающих на какой-либо площади, вне зависимости от того, насколько сомкнуты растения и насколько сильны взаимодействия между ними (Василевич, 1983). Растительность характеризуется не только видовым составом, а, главным образом, обилием видов, их пространственной структурой, динамикой и возникающими внутри сообществ экологическими связями.
Фитоценоз – «всякая конкретная группировка растений, на всем протяжении занимаемого ею пространства относительно однородная по внешности, флористическому составу, по условиям существования» (Шенников, 1964: 12). Фитоценоз является частью (автотрофным блоком) более сложной системы – биоценоза, в который, помимо фитоценоза, входят также зооценоз (совокупность животных) и микробоценоз (совокупность микроорганизмов). Совокупность биоценоза, занимаемого биоценозом пространства и экотопа (режимов среды биоценоза: воздушного, водного, температурно-радиационного, минерального питания и др.) образуют биогеоценоз. В функциональном отношении биогеоценоз идентичен экосистеме. Но между данными понятиями есть и некоторые различия. Экосистема – это «любая единица (биосистема), включающая все совместно функционирующие организмы (биотическое сообщество) на данном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями» (Одум, 1988). То есть, в качестве экосистем можно рассматривать как гниющий пень, так и весь лесной массив, в котором этот пень расположен. Биогеоценоз же является участком земной поверхности в границах входящего в него фитоценоза, то есть всегда имеет определенные минимальные границы. Таким образом, всякий биогеоценоз является экосистемой, но не всякая экосистема – биогеоценозом.
Являясь комплексной наукой, геоботаника подразделяется на ряд частных дисциплин (рис. 1):
Рис. 1. Структура геоботаники как комплексной науки.
· фитоценохорология (география растительности, хорологическая геоботаника) – раздел геоботаники, изучающий закономерности географического распределения различных синтаксономических единиц растительности на поверхности Земли; включает в себя:
· геоботаническое картографирование – составление геоботанических карт растительности различного масштаба;
· геоботаническое районирование – выявление территориальной дифференциации растительности на внутренне однородные районы, обладающие индивидуальными свойствами;
· фитоценология – раздел геоботаники, изучающий взаимодействие растений друг с другом и с окружающей средой, формирование структуры растительных сообществ и их комплексов, динамику этих процессов. Она подразделяется на:
· общую, в которой рассматриваются общие закономерности структуры растительных сообществ (синморфология), закономерности их формирования и динамики (синдинамика), взаимоотношение компонентов растительных сообществ с окружающей средой и друг с другом (синэкология), а также классификация растительных сообществ (синтаксономия);
· специальную – общая фитоценология применительно к отдельным типам растительности. Разделами специальной геоботаники являются лесоведение, луговедение, болотоведение и т.д., которые, в свою очередь, служат теоретической основой прикладных наук агрономического цикла: лесоводства, луговодства, культуры болот и др.
· историческая геоботаника – раздел геоботаники, исследующий изменение растительности в геологических масштабах времени в связи с изменением климата и поверхности Земли. При изучении изменений растительности под воздействием антропогенного фактора масштабы времени сопоставимы со временем существования человеческой цивилизации – до нескольких столетий.
Таким образом, геоботаника является синтетической наукой. Так, фитоценохорология очень тесно связана с комплексом географических наук и ботанической географией, историческая геоботаника частично перекрывается с палеоботаникой; а фитоценология пересекается с флористикой и экологией растений.
Геоботаника нередко рассматривается как синоним фитоценологии, что, на наш взгляд, не совсем точно. В центральной Европе геоботаника рассматривается в широком объеме, то есть, помимо фитоценологии в узком смысле, она включает в себя географию растительности и, иногда выделяемую в отдельное направление, историческую геоботанику. Данный подход представляется наиболее рациональным, кроме того, в современной литературе он применяется все более широко.
Некоторые ученые, особенно американские и английские, в качестве синонима геоботаники довольно широко используют и такой термин, как «синэкология», под которым понимают науку о растительных сообществах. При этом геоботаника, особенно фитоценология, рассматривается как часть экологии растений или экологии растительных сообществ. Но, как видно из приведенной выше схемы, в состав геоботаники (и фитоценологии тоже), помимо синэкологии (экологии фитоценозов) входят и другие разделы: морфология, география, классификация фитоценозов, учение о развитии и сменах фитоценозов и др., и поэтому синэкология является лишь частью геоботаники, хотя и немаловажной. В то же время нельзя сводить и экологию в целом к геоботанике. Дело в том, что экология – это наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания. Полное разделение геоботаники и экологии как отдельных наук произошло в конце 70-х годов 20 столетия, когда В. Д. Федоровым (Федоров, 1977) была сформулирована экологическая парадигма, согласно которой специфическим, уникальным объектом экологии является экосистема, а не отдельные особи, популяции и даже сообщества.