Из чего состоит экосистема. Определение экосистемы
ЭКОСИСТЕМЫ
Основной объект экологии – экологическая система или экосистема – пространственно определенная совокупность живых организмов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическими и информационными взаимодействиями.
Термин «экосистема» введен в экологию английским ботаником А. Тенсли (1935). Понятие экосистемы не ограничивается какими-то признаками ранга, размера, сложности или происхождения. Поэтому оно приложимо как к относительно простым искусственным (аквариум, теплица, пшеничное поле, обитаемый космический корабль), так и к сложным естественным комплексам организмов и среды их обитания (озеро, лес, океан, экосфера). Различают водные и наземные экосистемы. Все они образуют на поверхности планеты густую пеструю мозаику. При этом в одной природной зоне встречается множество сходных экосистем – или слитых в однородные комплексы, или разделенных другими экосистемами. Например, участки лиственных лесов, перемежающиеся хвойными лесами, или болота среди лесов и т.п. В каждой локальной наземной экосистеме есть абиотический компонент – биотоп , или экотоп , – участок с одинаковыми ландшафтными, климатическими, почвенными условиями и биотический компонент – сообщество , или биоценоз , – совокупность всех живых организмов, населяющих данный биотоп. Биотоп является общим местообитанием для всех членов сообщества. Биоценозы состоят из представителей многих видов растений, животных и микроорганизмов. Практически каждый вид в биоценозе представлен многими особями разного пола и возраста. Они образуют популяцию (или часть популяции) данного вида в экосистеме.
Члены сообщества так тесно взаимодействуют со средой обитания, что биоценоз часто трудно рассматривать отдельно от биотопа. Например, участок земли – это не просто «место», но и множество почвенных организмов и продуктов жизнедеятельности растений и животных. Поэтому их объединяют под названием биогеоценоза : «биотоп + биоценоз = биогеоценоз» (рис. 1)
Рис. 1.
Схема биогеоценоза
Биогеоценоз – это элементарная наземная экосистема, главная форма существования природных экосистем. Понятие биогеоценоза ввел В.Н. Сукачев (1942). Для большинства биогеоценозов определяющей характеристикой является определенный тип растительного покрова, по которому судят о принадлежности однородных биогеоценозов к данному экологическому сообществу (сообщества березового леса, мангровой заросли, ковыльной степи, сфагнового болота и т.п.).
Крупная, региональная или субконтинентальная биосистема, характеризующаяся каким либо основным типом растительности или характерной особенностью ландшафта, называются биомом (Ю. Одум, 1986).
Выделяют: микроэкосистемы (подушка лишайника и т. п.); мезоэкосистемы (пруд, озеро, степь и др.); макроэкосистемы (континент, океан) и, наконец, глобальную экосистему (биосфера Земли) или экосферу – интеграция всех экосистем мира.
Замкнутость круговорота в такой системе не велика: часть продуктов распада выносится за пределы лишайника дождевыми водами, часть животных мигрирует в другие местообитания.
Границы этой экосистемы очерчены границами лишайника, но ее существование будет достаточно стабильным, если вынос будет компенсироваться поступлением вещества. Но есть экосистемы, в которых внутренний круговорот вещества вообще малоэффективен – реки, склоны гор – здесь стабильность поддерживается только перетоком вещества извне. Многие системы достаточно автономны – пруды, озера, океан, леса и др. Но даже биосфера Земли часть веществ отдает в космос и получает вещества из космоса.
Таким образом, природные экосистемы – это открытые системы: они должны получать и отдавать вещества и энергию.
Для того, чтобы экосистема существовала неограниченно долго, она должна обладать свойствами связывания и высвобождения энергии и в ней должен осуществляться круговорот веществ. Свойства экосистем, и механизмы, обеспечивающие устойчивое существование, определяются их структурной организацией.
Под структурой экосистемы понимаются ее составные части и пути их взаимодействия, обеспечивающие сохранение экосистемы как единого целого.
Каждая экосистема имеет собственное материально-энергетическое хозяйство и определенную функциональную структуру (рис. 2). В каждой экосистеме выделяются два компонента – совокупность живых организмов (биотический компонент) и окружающая среда (абиотический компонент). Биотический компонент экосистемы представлен живыми организмами, которые по способу получения необходимой им энергии подразделяются на организмы автотрофные и гетеротрофные.
Автотрофы (самопитающие) составляют основную массу всех живых существ и полностью отвечают за образование всего нового органического вещества в любой экосистеме, т.е. являются производителями продукции – продуцентами экосистем. Это организмы, образующие органическое вещество своего тела из неорганических веществ – диоксида углерода и воды – посредством процессов фотосинтезa и хемосинтеза. Фотосинтез осуществляют фотоавтотрофы – все хлорофиллоносные (зеленые) растения и микроорганизмы. Хемосинтез наблюдается у некоторых хемоавтотрофных бактерий, которые используют в качестве источника энергии окисление водорода, серы, сероводорода, аммиака, железа. Хемоавтотрофы в природных экосистемах играют относительно небольшую роль, за исключением чрезвычайно важных нитрифицирующих бактерий.
Рис. 2 .
Упрощенная схема переноса веществ и энергии в экосистеме:
Согласно роли в переносе энергии через экосистему и в круговороте веществ, выделяют три эколого-функциональные группы организмов.
Продуценты – это автотрофные организмы, синтезирующие органическое вещество из неорганических составляющих с использованием внешних источников энергии. Таким образом, продуценты являются производителями органического вещества в природных сообществах, при этом они превращают энергию солнечного излучения в «запасенную» энергию химических связей органических веществ и вовлекают в круговорот элементы неживой природы, включая их в состав тканей организмов.
Консументы – гетеротрофные организмы, использующие органическое вещество, синтезированное продуцентами, для построения и в качестве источника энергии. В этой группе выделяют несколько порядков.
1. Консументы первого порядка – растительноядные животные (фитофаги), питающиеся живыми растениями (тля, кузнечик, гусь, овца, олень, слон).
2. Консументы второго порядка – плотоядные животные (зоофаги), поедающие других животных, – различные хищники (хищные насекомые, насекомоядные и хищные птицы, хищные рептилии и звери).
5. Симбиотрофы – бактерии, грибы, простейшие, которые, питаясь соками или выделениями организма-хозяина, выполняют вместе с этим и жизненно важные для него трофические функции; это мицелиальные грибы – микоризы, участвующие в корневом питании многих растений; клубеньковые бактерии бобовых, связывающие молекулярный азот; микробиальное население сложных желудков жвачных животных, повышающее переваримость и усвоение поедаемой растительной пищи. Существует немало животных со смешанным питанием, потребляющих и растительную, и животную пищу.
6. Детритофаги, или сапрофаги, – организмы, питающиеся мертвым органическим веществом – остатками растений и животных. Это различные гнилостные бактерии, грибы, черви, личинки насекомых, жуки-копрофаги и другие животные – все они выполняют функцию очищения экосистем. Детритофаги участвуют в образовании почвы, торфа, донных отложений водоемов. Крупные сапрофаги (например, членистоногие) механически разрушают мертвые ткани, подготавливая вещество к воздействию редуцентов.
7. Редуценты – бактерии и низшие грибы – завершают деструктивную работу консументов и сапрофагов, доводя разложение органики до ее полной минерализации и возвращая в среду экосистемы последние порции двуокиси углерода, воды и минеральных элементов.
Все названные группы организмов в любой экосистеме тесно взаимодействуют между собой, согласуя потоки вещества и энергии. Их совместное функционирование не только поддерживает структуру и целостность биоценоза, но и оказывает существенное влияние на абиотические компоненты биотопа, обусловливая самоочищение экосистемы, ее среды. Это особенно хорошо проявляется в водных экосистемах, где существуют группы организмов-фильтраторов.
Функционально все виды, составляющие экосистему, распределяются на несколько групп в зависимости от их места в общей системе круговорота веществ и потока энергии. Равнозначные в этом смысле виды образуют отдельные трофические (пищевые) уровни, связанные системой пищевых (трофических) цепей по принципу пища – потребитель.
Трофические цепи, представленные продуцентами и консументами, определяют как пастбищные пищевые цепи (цепи поедания). Пищевые цепи, в которых осуществляются процессы деструкции и минерализации органических веществ определяются как детритные пищевые цепи.
Поток органического вещества в экосистеме на уровне консументов разделяется: живое вещество следует по цепям поедания, мертвое – по цепям разложения.
Однако, такая строгая картина перехода энергии с уровня на уровень не совсем реальна, поскольку трофические цепи экосистем сложно переплетаются, образуя трофические сети.
Конечный итог: рассеивание и потеря энергии, которая, чтобы существовала жизнь, должна возобновляться.
Экосистема — это функциональное единство живых организмов и среды их обитания. Основные характерные особенности экосистемы — ее безразмерность и безранговость. Замещение одних биоценозов другими в течение длительного периода времени называется сукцессией. Сукцессия, протекающая на вновь образовавшемся субстрате, называется первичной. Сукцессия на территории, уже занятой растительностью, называется вторичной.
Единицей классификации экосистем является биом — природная зона или область с определенными климатическими условиями и соответствующим набором доминирующих видов растений и животных.
Особая экосистема — биогеоценоз — участок земной поверхности с однородными природными явлениями. Составными частями биогеоценоза являются климатоп, эдафотоп, гидротоп (биотоп), а также фитоценоз, зооценоз и микробоценоз (биоценоз).
С целью получения продуктов питания человек искусственно создает агроэкосистемы. Они отличаются от естественных малой устойчивостью и стабильностью, однако более высокой продуктивностью.
Экосистемы — основные структурные единицы биосферы
Экологическая система, или экосистема, — основная функциональная единица в экологии, так как в нее входят организмы и
неживая среда — компоненты, взаимно влияющие на свойства друг друга, и необходимые условия для поддержания жизни в той ее форме, которая существует на Земле. Термин экосистема впервые был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тенсли.
Таким образом, под экосистемой понимается совокупность живых организмов (сообществ) и среды их обитания, образующих благодаря круговороту веществ, устойчивую систему жизни.
Сообщества организмов связаны с неорганической средой теснейшими материально- энергетическими связями. Растения могут существовать только за счет постоянного поступления в них углекислого газа, воды, кислорода, минеральных солей. Гетеротрофы живут за счет автотрофов, но нуждаются в поступлении таких неорганических соединений, как кислород и вода.
В любом конкретном месте обитания запасов неорганических соединений, необходимых для поддержания жизнедеятельности населяющих его организмов, хватило бы ненадолго, если бы эти запасы не возобновлялись. Возврат биогенных элементов в среду происходит как в течение жизни организмов (в результате дыхания, экскреции, дефекации), так и после их смерти, в результате разложения трупов и растительных остатков.
Следовательно, сообщество образует с неорганической средой определенную систему, в которой поток атомов, вызываемый жизнедеятельностью организмов, имеет тенденцию замыкаться в круговорот.
Рис. 8.1. Структура биогеоценоза и схема взаимодействия между компонентами
В отечественной литературе широко применяется термин «биогеоценоз», предложенный в 1940 г.B . Н Сукачевым. По его определению, биогеоценоз — «совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, почвы и гидрологических условий), имеющая особую специфику взаимодействий этих слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией их между собой и другими явлениями природы и представляющая собой внутренне противоречивое диалектическое единство, находящееся в постоянном движении, развитии».
В биогеоценозе В.Н. Сукачев выделял два блока: экотоп — совокупность условий абиотической среды и биоценоз — совокупность всех живых организмов (рис. 8.1). Экотоп часто рассматривают как абиотическую среду, не преобразованную растениями (первичный комплекс факторов физико-географической среды), а биотоп — как совокупность элементов абиотической среды, видоизмененных средообразующей деятельностью живых организмов.
Существует мнение, что термин «биогеоценоз» в значительно большей степени отражает структурные характеристики изучаемой макросистемы, тогда как в понятие «экосистема» вкладывается, прежде всего, ее функциональная сущность. Фактически же между этими терминами различий нет.
Следует указать, что совокупность специфического физико-хи- мического окружения (биотопа) с сообществом живых организмов (биоценозом) и образует экосистему:
Экосистема = Биотоп + Биоценоз.
Равновесное (устойчивое) состояние экосистемы обеспечивается на основе круговоротов веществ (см. п. 1.5). В этих круговоротах непосредственно участвуют все составные части экосистем.
Для поддержания круговорота веществ в экосистеме необходимо наличие запаса неорганических веществ в усвояемой форме и трех функционально различных экологических групп организмов: продуцентов, консументов и редуцентов.
Продуцентами выступают автотрофные организмы, способные строить свои тела за счет неорганических соединений (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Продуценты
Консументы - гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество продуцентов или других консументов и трансформирующие его в новые формы.
Редуценты живут за счет мертвого органического вещества, переводя его вновь в неорганические соединения. Классификация эта относительная, так как и консументы, и сами продуценты выступают частично в роли редуцентов в течение жизни, выделяя в окружающую среду минеральные продукты обмена веществ.
В принципе круговорот атомов может поддерживаться в системе и без промежуточного звена — консументов, за счет деятельности двух других групп. Однако такие экосистемы встречаются скорее как исключения, например на тех участках, где функционируют сообщества, сформированные только из микроорганизмов. Роль консументов выполняют в природе в основном животные, их деятельность по поддержанию и ускорению циклической миграции атомов в экосистемах сложна и многообразна.
Масштабы экосистемы в природе весьма различны. Неодинакова также степень замкнутости поддерживаемых в них круговоротов вещества, т.е. многократность вовлечения одних и тех же элементов в циклы. В качестве отдельных экосистем можно рассматривать, например, и подушку лишайников на стволе дерева, и разрушающийся пень с его населением, и небольшой временный водоем, луг, лес, степь, пустыню, весь океан и, наконец, всю поверхность Земли, занятую жизнью.
В некоторых типах экосистем вынос вещества за их пределы настолько велик, что их стабильность поддерживается в основном за счет притока такого же количества вещества извне, тогда как внутренний круговорот малоэффективен. Таковы проточные водоемы, реки, ручьи, участки на крутых склонах гор. Другие экосистемы имеют значительно более полный круговорот веществ и относительно автономны (леса, луга, озера и т.п.).
Экосистема — практически замкнутая система. В этом состоит принципиальное отличие экосистем от сообществ и популяций, являющиеся открытыми системами, обменивающимися со средой обитания энергией, веществом и информацией.
Однако ни одна экосистема Земли не имеет полностью замкнутого круговорота, поскольку минимальный обмен массой со средой обитания все-таки происходит.
Экосистема является совокупностью взаимосвязанных энергопотребителей, совершающих работу по поддержанию ее неравновесного состояния относительно среды обитания за счет использования потока солнечной энергии.
В соответствии с иерархией сообществ жизнь на Земле проявляется и в иерархичности соответствующих экосистем. Экосистемная организация жизни является одним из необходимых условий ее существования. Как уже отмечалось, запасы биогенных элементов, необходимых для жизни организмов на Земле в целом и на каждом конкретном участке на ее поверхности, небезграничны. Лишь система круговоротов могла придать этим запасам свойство бесконечности, необходимое для продолжения жизни.
Поддерживать и осуществлять круговорот могут только функционально различные группы организмов. Функционально-экологическое разнообразие живых существ и организация потока извлекаемых из окружающей среды веществ в циклы — древнейшее свойство жизни.
С этой точки зрения устойчивое существование многих видов в экосистеме достигается за счет постоянно происходящих в ней естественных нарушений местообитаний, позволяющих новым поколениям занимать вновь освободившееся пространство.
Концепция экосистемы
Основным объектом изучения экологии являются экологические системы, или экосистемы. Экосистема занимает следующее после биоценоза место в системе уровней живой природы. Говоря о биоценозе, мы имели в виду только живые организмы. Если же рассматривать живые организмы (биоценоз) в совокупности с факторами окружающей среды, то это уже экосистема. Таким образом, экосистема — природный комплекс (биокосная система), образованный живыми организмами (биоценоз) и средой их обитания (например, атмосфера — косной, почва, водоем — биокосной и т.д.), связанными между собой обменом веществ и энергии.
Общепринятый в экологии термин «экосистема» ввел в 1935 г. английский ботаник А. Тенсли. Он считал, что экосистемы, «с точки зрения эколога представляют собой основные природные единицы на поверхности земли», в которые входит «не только комплекс организмов, но и весь комплекс физических факторов, образующих то, что мы называем средой биома, — факторы местообитания в самом широком смысле». Тенсли подчеркивал, что для экосистем характерен разного рода обмен веществ не только между организмами, но и между органическим и неорганическим веществом. Это не только комплекс живых организмов, но и сочетание физических факторов.
Экосистема (экологическая система) — основная функциональная единица экологии, представляющая собой единство живых организмов и среды их обитания, организованное потоками энергии и биологическим круговоротом веществ. Это фундаментальная общность живого и среды его обитания, любая совокупность совместно обитающих живых организмов и условий их существования (рис. 8).
Рис. 8. Различные экосистемы: а — пруда средней полосы (1 — фитопланктон; 2 — зоопланктон; 3 — жуки-плавунцы (личинки и взрослые особи); 4- молодые карпы; 5 — щуки; 6 — личинки хорономид (комаров-дергунцов); 7- бактерии; 8 — насекомые прибрежной растительности; б — луга (I — абиотические вещества, т.е. основные неорганические и органические слагаемые); II- продуценты (растительность); III- макроконсументы (животные): А — травоядные (кобылки, полевые мыши и т.д.); В — косвенные или питающиеся детритом консументы, или сапробы (почвенные беспозвоночные); С- «верховые» хищники (ястребы); IV- разлагатели (гнилостные бактерии и грибы)
Понятие «экосистема» можно применить к объектам различной степени сложности и величины. Примером экосистемы может служить тропический лес в определенном месте и в конкретный момент времени, населенный тысячами видов живущих вместе растений, животных и микробов и связанный происходящими между ними взаимодействиями. Экосистемами являются такие природные образования, как океан, море, озеро, луг, болото. Экосистемой может быть кочка на болоте и гниющее дерево в лесу с живущими на них и в них организмами, муравейник с муравьями. Самой большой экосистемой является планета Земля.
Каждая экосистема может характеризоваться определенными границами (экосистема елового леса, экосистема низинного болота). Однако само понятие «экосистема» безранговое. Она обладает признаком безразмерности, ей не свойственны территориальные ограничения. Обычно экосистемы разграничиваются элементами абиотической среды, например рельефом, видовым разнообразием, физико-химическими и трофическими условиями и т.н. Размер экосистем не может быть выражен в физических единицах измерения (площадь, длина, объем и т.д.). Он выражается системной мерой, учитывающей процессы обмена веществ и энергии. Поэтому под экосистемой обычно понимают совокупность компонентов биотической (живые организмы) и абиотической среды, при взаимодействии которых происходит более или менее полный биотический круговорот, в котором участвуют продуценты, консументы и редуценты. Термин «экосистема» применяется и по отношению к искусственным образованиям, например экосистема парка, сельскохозяйственная экосистема (агроэкосистема).
Экосистемы можно разделить на микроэкосистемы (дерево в лесу, прибрежные заросли водных растений), мезоэкосистемы (болото, сосновый лес, ржаное поле) и макроэкосистемы (океан, море, пустыня).
О равновесии в экосистемах
Равновесными называются такие экосистемы, которые «контролируют» концентрации биогенов, поддерживая их равновесие с твердыми фазами. Твердые же фазы (остатками живых организмов) являются продуктами жизнедеятельности биоты. Равновесными будут и те сообщества и популяции, которые входят в равновесную экосистему. Такой вид биологического равновесия называется подвижным , поскольку процессы отмирания непрерывно компенсируются появлением новых организмов.
Равновесные экосистемы подчиняются принципу устойчивости Лe Шателье. Следовательно, эти экосистемы обладают гомеоста- зом, — иными словами, способны минимизировать внешнее воздействие при сохранении внутреннего равновесия. Устойчивость экосистем достигается не смещением химических равновесий, а путем изменения скоростей синтеза и разложения биогенов.
Особый интерес представляет способ поддержания устойчивости экосистем, основанный на вовлечении в биологический круговорот органического веществ, ранее произведенного экосистемой и отложенного «про запас» — древесины и мортмассы (торф, гумус, подстилка). В этом случае древесина служит как бы индивидуальным материальным богатством, а мортмасса — коллективным, принадлежащим экосистеме в целом. Это «материальное богатство» увеличивает запас устойчивости экосистем, обеспечивая их выживание при неблагоприятных изменениях климата, стихийных бедствиях и др.
Устойчивость экосистемы тем больше, чем больше она по размеру и чем богаче и разнообразнее ее видовой и популяционный состав.
Экосистемы разного типа используют различные варианты индивидуальных и коллективных способов запасания устойчивости при различном соотношении индивидуального и коллективного материального богатства.
Таким образом, основная функция совокупности живых существ (сообщества), входящих в экосистему, — обеспечить равновесное (устойчивое) состояние экосистемы на основе замкнутого круговорота веществ.
Экосистема и ее свойства
Введение
Слово "экология" образовано из двух греческих слов: "oicos", что означает дом, жилище, и "logos" - наука и дословно переводится как наука о доме, местообитании. Впервые этот термин использовал немецкий зоолог Эрнст Геккель в 1886 году, определив экологию как область знаний, изучающую экономику природы, - исследование общих взаимоотношений животных как с живой, так и с неживой природой, включающей все как дружественные, так и недружественные отношения, с которыми животные и растения прямо или косвенно входят в контакт. Такое понимание экологии стало общепризнанным и сегодня классическая экология - это наука об изучении взаимоотношений живых организмов с окружающей их средой. Живое вещество настолько многообразно , что его изучают на разных уровнях организации и под разным углом зрения. Уровни организмов, популяций и экосистем являются областью интересов классической экологии. В зависимости от объекта исследования и угла зрения, под которым он изучается, в экологии сформировались самостоятельные научные направления. По размерности объектов изучения экологию делят на аутэкологию (организм и его среда), популяционную экологию (популяция и ее среда), синэкологию (сообщества и их среда), биогеоцитологию (учение об экосистемах) и глобальную экологию (учение о биосфере Земли). В зависимости от объекта изучения экологию подразделяют на экологию микроорганизмов, грибов, растений, животных, человека, агроэкологию, промышленную (инженерную), экологию человека и т.п. По средам и компонентам различают экологию суши, пресных водоемов, моря, пустынь, высокогорий и других средовых и географических пространств. К экологии часто относят большое количество смежных отраслей знаний, главным образом из области охраны окружающей среды. В данной работе рассмотрены прежде всего основы общей экологии, то есть классические законы взаимодействия живых организмов с окружающей средой.
Экосистема - основное понятие экологии
Экология рассматривает взаимодействие живых организмов и неживой природы. Это взаимодействие, во-первых, происходит в рамках определенной системы (экологической системы, экосистемы) и, во-вторых, оно не хаотично, а определенным образом организовано, подчинено законам. Экосистемой называют совокупность продуцентов, консументов и детритофагов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей их средой посредством обмена веществом, энергией и информацией таким образом, что эта единая система сохраняет устойчивость в течение продолжительного времени. Таким образом, для естественной экосистемы характерны три признака:
1) экосистема обязательно представляет
собой совокупность живых и неживых компонентов
2) в рамках экосистемы осуществляется полный
цикл, начиная с создания органического вещества
и заканчивая его разложением на неорганические
составляющие;
3) экосистема сохраняет устойчивость в течение
некоторого времени, что обеспечивается
определенной структурой биотических и
абиотических компонентов.
Примерами природных экосистем являются озеро, лес, пустыня, тундра, суша, океан, биосфера. Как видно из примеров, более простые экосистемы входят в более сложно организованные. При этом реализуется иерархия организации систем, в данном случае экологических. Таким образом, устройство природы следует рассматривать как системное целое , состоящее из вложенных одна в другую экосистем, высшей из которых является уникальная глобальная экосистема - биосфера. В ее рамках происходит обмен энергией и веществом между всеми живыми и неживыми составляющими в масштабах планеты. Грозящая всему человечеству катастрофа состоит в том, что нарушен один из признаков, которым должна обладать экосистема: биосфера как экосистема деятельностью человека выведена из состояния устойчивости. В силу своих масштабов и многообразия взаимосвязей она не должна от этого погибнуть, она перейдет в новое устойчивое состояние, изменив при этом свою структуру, прежде всего неживую, а вслед за ней неизбежно и живую. Человек как биологический вид меньше других имеет шанс приспособиться к новым быстро изменяющимся внешним условиям и скорее всего исчезнет первым. Поучительным и наглядным тому примером является история острова Пасхи. На одном из полинезийских островов, носящем название острова Пасхи, в результате сложных миграционных процессов в VII веке возникла замкнутая изолированная от всего мира цивилизация. В благоприятном субтропическом климате она за сотни лет существования достигла известных высот развития, создав само-бытную культуру и письменность, до наших дней не поддающуюся расшифровке. А в XVII веке она без остатка погибла, уничтожив вначале растительный и животный мир острова, а затем погубив себя в прогрессирующей дикости и каннибализме. У последних островитян не осталось уже воли и материала, чтобы построить спасительные "ноевы ковчеги" - лодки или плоты. В память о себе исчезнувшее сообщество оставило полупустынный остров с гигантскими каменными фигурами - свидетелями былого могущества. Итак, экосистема является важнейшей структурной единицей устройства окружающего мира. Как видно из рис. 1 (см. приложение), основу экосистем составляют живое вещество, характеризующееся биотической структурой, и среда обитания, обусловленная совокупностью экологических факторов. Рассмотрим их более подробно.
Биотическая структура экосистем
Экосистема основана на единстве живого и
неживого вещества.
Суть этого единства
проявляется в следующем. Из элементов неживой
природы, главным образом молекул CO2 и H2O, под
воздействием энергии солнца синтезируются
органические вещества, составляющие все живое на
планете. Процесс создания органического
вещества в природе происходит одновременно с
противоположным процессом - потреблением и
разложением этого вещества вновь на исходные
неорганические соединения. Совокупность этих
процессов протекает в рамках экосистем
различных уровней иерархии. Чтобы эти процессы
были уравновешены, природа за миллиарды лет
отработала определенную структуру живого
вещества системы. Движущей силой в любой
материальной системе служит энергия. В
экосистемы она поступает главным образом от
Солнца
. Растения за счет содержащегося в них
пигмента хлорофилла улавливают энергию
излучения Солнца и используют ее для синтеза
основы любого органического вещества - глюкозы
C6H12O6.
Кинетическая энергия солнечного излучения
преобразуется таким образом в потенциальную
энергию, запасенную глюкозой. Из глюкозы вместе с
получаемыми из почвы минеральными элементами
питания - биогенами - образуются все ткани
растительного мира - белки, углеводы, жиры,
липиды, ДНК, РНК, то есть органическое вещество
планеты.
Кроме растений продуцировать органическое
вещество могут некоторые бактерии
. Они
создают свои ткани, запасая в них, как и растения,
потенциальную энергию из углекислого газа без
участия солнечной энергии. Вместо нее они
используют энергию, которая образуется при
окислении неорганических соединений, например,
аммиака, железа и особенно серы (в глубоких
океанических впадинах, куда не проникает
солнечный свет, но где в изобилии скапливается
сероводород, обнаружены уникальные экосистемы).
Это так называемая энергия химического синтеза,
поэтому организмы называются хемосинтетиками.
Таким образом, растения и хемосинтетики
создают органическое вещество из неорганических
составляющих с помощью энергии окружающей среды.
Их называют продуцентами или автотрофами.
Высвобождение запасенной продуцентами
потенциальной энергии обеспечивает
существование всех остальных видов живого на
планете. Виды, потребляющие созданную
продуцентами органику как источ-ник вещества и
энергии для своей жизнедеятельности, называются
консументами или гетеротрофами. Консументы
- это самые разнообразные организмы (от
микроорганизмов до синих китов): простейшие,
насекомые, пресмыкающиеся, рыбы, птицы и, наконец,
млекопитающие, включая человека. Консументы,
в свою очередь, подразделяются на ряд подгрупп в
соответствии с различиями в источниках их
питания. Животные, питающиеся
непосредственно продуцентами, называются
первичными консументами или консументами
первого порядка. Их самих употребляют в пищу
вторичные консументы. Например, кролик,
питающийся морковкой, - это консумент первого
порядка, а лиса, охотящаяся за кроликом, -
консумент второго порядка. Некоторые виды живых
организмов соответствуют нескольким таким
уровням. Например, когда человек ест овощи - он
консумент первого порядка, говядину - консумент
второго порядка, а употребляя в пищу хищную рыбу,
выступает в роли консумента третьего порядка.
Первичные консументы, питающиеся только растениями, называются растительноядными или фитофагами. Консументы второго и более высоких порядков - плотоядные. Виды, употребляющие в пищу как растения, так и животных, относятся к всеядным, например, человек. Мертвые растительные и животные остатки, например опавшие листья, трупы животных, продукты систем выделения, называются детритом. Это органика! Существует множество организмов, спе-циализирующихся на питании детритом. Они называются детритофагами. Примером могут служить грифы, шакалы, черви, раки, термиты, муравьи и т.п. Как и в случае обычных консументов, различают первичных детритофагов, питающихся непосредственно детритом, вторичных и т. п. Наконец, значительная часть детрита в экосистеме, в частности опавшие листья, валежная древесина, в своем исходном виде не поедается животными, а гниет и разлагается в процессе питания ими грибов и бактерий. Поскольку роль грибов и бактерий столь специфична, их обычно выделяют в особую группу детритофагов и называют редуцентами. Редуценты служат на Земле санитарами и замыкают биогеохимический круговорот веществ, разлагая органику на исходные неорганические составляющие - углекислый газ и воду. Таким образом, несмотря на многообразие экосистем, все они обладают структурным сходством. В каждой из них можно выделить фотосинтезирующие растения - продуценты, различные уровни консументов, детритофагов и редуцентов. Они и составляют биотическую структуру экосистем.
Экологические факторы
Неживая и живая природа, окружающая растения, животных и человека, носит название среды обитания. Множество отдельных компонентов среды, влияющих на организмы, называются экологическими факторами. По природе происхождения выделяют абиотические, биотические и антропогенные факторы. Абиотические факторы - это свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы. Биотические факторы - это все формы воздействия живых организмов друг на друга. Раньше к биотическим факторам относили и воздействие человека на живые организмы, однако в настоящее время выделяют особую категорию факторов, порождаемых человеком. Антропогенные факторы - это все формы деятельности человеческого общества, которые приводят к изменению природы как среды обитания и других видов и непосредственно сказываются на их жизни. Таким образом, каждый живой организм испытывает влияние неживой природы, организмов других видов, в том числе и человека, и, в свою очередь, оказывает воздействие на каждую из этих составляющих.
Законы воздействия экологических факторов на живые организмы
Несмотря на многообразие экологических факторов и различную природу их происхождения, существуют некоторые общие правила и закономерности их воздействия на живые организмы. Для жизни организмов необходимо определенное сочетание условий. Если все условия среды обитания благоприятны, за исключением одного, то именно это условие становится решающим для жизни рассматриваемого организма. Оно ограничивает (лимитирует) развитие организма, поэтому называется лимитирующим фактором. Первоначально было установлено, что развитие живых организмов ограничивает недостаток какого-либо компонента, например, минеральных солей, влаги, света и т.п. В середине XIX века немецкий химикорганик Юстас Либих первым экспериментально доказал, что рост растения зависит от того элемента питания, который присутствует в относительно минимальном количестве. Он назвал это явление законом минимума; в честь автора его еще называют законом Либиха. В современной формулировке закон минимума звучит так: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Однако, как выяснилось позже, лимитирующим может быть не только недостаток, но и избыток фактора, например, гибель урожая из-за дождей, перенасыщение почвы удобрениями и т.п. Понятие о том, что наравне с минимумом лимитирующим фактором может быть и максимум, ввел спустя 70 лет после Либиха американский зоолог В.Шелфорд, сформулировавший закон толерантности. Согласно закону толерантности лимитирующим фактором процветания популяции (организма) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, а диапазон между ними определяет величину выносливости (предел толерантности) или экологическую валентность организма к данному фактору. Благоприятный диапазон действия экологического фактора называется зоной оптимума (нормальной жизнедеятельности). Чем значительнее отклонение действия фактора от оптимума, тем больше данный фактор угнетает жизнедеятельность популяции. Этот диапазон называется зоной угнетения. Максимально и минимально переносимые значения фактора - это критические точки, за пределами которых существование организма или популяции уже невозможно. В соответствии с законом толерантности любой избыток вещества или энергии оказывается загрязняющим среду началом. Так, избыток воды даже в засушливых районах вреден и вода может рассматриваться как обычный загрязнитель, хотя в оптимальных количествах она просто необходима. В частности, избыток воды препятствует нормальному почвообразованию в черноземной зоне. Виды, для существования которых необходимы строго определенные экологические условия, называют стенобиотными, а виды, приспосабливающиеся к экологической обстановке с широким диапазоном изменения параметров, - эврибиотными. Среди законов, определяющих взаимодействие индивида или особи с окружающей его средой, выделим правило соответствия условий среды генетической предопределенности организма. Оно утверждает, что вид организмов может существовать до тех пор и постольку, поскольку окружающая его природная среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям.
Абиотические факторы среды обитания
Абиотические факторы - это свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы. На рис. 5 (см. приложение) приведена классификация абиотических факторов. Начнем рассмотрение с климатических факторов внешней среды. Температура является наиболее важным климатическим фактором. От нее зависит интенсивность обмена веществ организмов и их географическое распространение. Любой организм способен жить в пределах определенного диапазона температур. И хотя для разных видов организмов (эвритермных и стенотермных) эти интервалы различны, для большинства из них зона оптимальных температур, при кото-рых жизненные функции осуществляются наиболее активно и эффективно, сравнительно невелика. Диапазон температур, в которых может существовать жизнь, составляет примерно 300 С: от -200 до +100 ЬС. Но большинство видов и большая часть активности приурочены к еще более узкому диапазону температур. Определенные организмы, особенно в стадии покоя, могут существовать по крайней мере некоторое время, при очень низких температурах. Отдельные виды микроорганизмов, главным образом бактерии и водоросли, способны жить и размножаться при температурах, близких к точке кипения. Верхний предел для бактерий горячих источников составляет 88 С, для сине-зеленых водорослей - 80 С, а для самых устойчивых рыб и насекомых - около 50 С. Как правило, верхние предельные значения фактора оказываются более критическими, чем нижние, хотя многие организмы вблизи верхних пределов диапазона толерантности функционируют более эффективно. У водных животных диапазон толерантности к температуре обычно более узок по сравнению с наземными животными, так как диапазон колебаний температуры в воде меньше, чем на суше. Таким образом, температура является важным и очень часто лимитирующим фактором. Температурные ритмы в значительной степени контролируют сезонную и суточную активность растений и животных.
Количество осадков и влажность - основные величины, измеряемые при изучении этого фактора. Количество осадков зависит в основном от путей и характера больших перемещений воздушных масс. Например, ветры, дующие с океана, оставляют большую часть влаги на обращенных к океану склонах, в результате чего за горами остается "дождевая тень", способствующая формированию пустыни. Двигаясь в глубь суши, воздух аккумулирует некоторое количество влаги, и количество осадков опять увеличивается. Пустыни, как правило, расположены за высокими горными хребтами или вдоль тех берегов, где ветры дуют из обширных внутренних сухих районов, а не с океана, например, пустыня Нами в Юго-Западной Африке. Распределение осадков по временам года - крайне важный лимитирующий фактор для организмов. Влажность - параметр, характеризующий содержание водяного пара в воздухе. Абсолютной влажностью называют количество водяного пара в единице объема воздуха. В связи с зависимостью количества пара, удерживаемого воздухом, от температуры и давления, введено понятие относительной влажности - это отношение пара, содержащегося в воздухе, к насыщающему пару при данных температуре и давлении. Так как в природе существуют суточный ритм влажности - повышение ночью и снижение днем, и колебание ее по вертикали и горизонтали, этот фактор наряду со светом и температурой играет важную роль в регулировании активности организмов. Доступный живым организмам запас поверхностной воды зависит от количества осадков в данном районе, но эти величины не всегда совпадают. Так, пользуясь подземными источниками, куда вода поступает из других районов, животные и растения могут получать больше воды, чем от поступления ее с осадками. И наоборот, дождевая вода иногда сразу же становится недоступной для организмов. Излучение Солнца представляет собой электромагнитные волны различной длины. Оно совершенно необходимо живой природе, так как является основным внешним источником энергии. Надо иметь в виду то, что спектр электромагнитного излучения Солнца весьма широк и его частотные диапазоны различным образом воздействуют на живое вещество.
Для живого вещества важны качественные признаки света - длина волны, интенсивность и продолжительность воздействия. Ионизирующее излучение выбивает электроны из атомов и присоединяет их к другим атомам с образованием пар положительных и отрицательных ионов. Его источником служат радиоактивные вещества, содержащиеся в горных породах, кроме того, оно поступает из космоса. Разные виды живых организмов сильно отличаются по своим способностям выдерживать большие дозы радиационного облучения. Как показывают данные большей части исследований, наиболее чувствительны к облучению быстро делящиеся клетки. У высших растений чувствительность к ионизирующему излучению прямо пропорциональна размеру клеточного ядра, а точнее объему хромосом или содержанию ДНК. Газовый состав атмосферы также является важным климатическим фактором. Примерно 3-3,5 млрд лет назад атмосфера содержала азот, аммиак, водород, метан и водяной пар, а свободный ки-слород в ней отсутствовал. Состав атмосферы в значительной степени определялся вулканическими газами. Из-за отсутствия кислорода не существовало озонового экрана, задерживающего ультрафиолетовое излучение Солнца. С течением времени за счет абиотических процессов в атмосфере планеты стал накапливаться кислород, началось формирование озонового слоя. Ветер способен даже изменять внешний вид растений, особенно в тех местообитаниях, например в альпийских зонах, где лимитирующее воздействие оказывают другие факторы. Экспериментально показано, что в открытых горных местообитаниях ветер лимитирует рост растений: когда построили стену, защищавшую растения от ветра, высота растений увеличилась. Большое значение имеют бури, хотя их действие сугубо локально. Ураганы и обычные ветры способны переносить животных и растения на большие расстояния и тем самым изменять состав сообществ. Атмосферное давление, по-видимому, не является лимитирующим фактором непосредственного действия, однако оно имеет прямое отношение к погоде и климату, которые оказывают непосредственное лимитирующее воздействие.
Водные условия создают своеобразную среду обитания организмов , отличающуюся от наземной прежде всего плотностью и вязкостью. Плотность воды примерно в 800 раз, а вязкость примерно в 55 раз выше, чем у воздуха. Вместе с плотностью и вязкостью важнейшими физико-химическими свойствами водной среды являются: температурная стратификация, то есть изменение температуры по глубине водного объекта и периодические изменения температуры во времени, а также прозрачность воды, определяющая световой режим под ее поверхностью: от прозрачности зависит фотосинтез зеленых и пурпурных водорослей, фитопланктона, высших растений. Как и в атмосфере, важную роль играет газовый состав водной среды. В водных местообитаниях количество кислорода, углекислого газа и других газов, растворенных в воде и потому доступных организмам, сильно варьируется во времени. В водоемах с высоким содержанием органических веществ кислород является лимитирующим фактором первостепенной важности. Кислотность - концентрация водородных ионов (рН) - тесно связана с карбонатной системой. Значение рН изменяется в диапазоне от 0 рН до 14: при рН=7 среда нейтральная, при рН<7 - кислая, при рН>7 - щелочная. Если кислотность не приближается к крайним значениям, то сообщества способны компенсировать изменения этого фактора - толерантность сообщества к диапазону рН весьма значительна. В водах с низким рН содержится мало биогенных элементов, поэтому продуктивность здесь крайне мала. Соленость - содержание карбонатов, сульфатов, хлоридов и т.д. - является еще одним значимым абиотическим фактором в водных объектах. В пресных водах солей мало, из них около 80 % приходится на карбонаты. Содержание минеральных веществ в мировом океане составляет в среднем 35 г/л. Организмы открытого океана обычно стеногалинны, тогда как организмы прибрежных солоноватых вод в общем эвригалинны. Концентрация солей в жидкостях тела и тканях большинства морских организмов изотонична концентрации солей в морской воде, так что здесь не возникает проблем с осморегуляцией. Течение не только сильно влияет на концентрацию газов и питательных веществ, но и прямо действует как лимитирующий фактор. Многие речные растения и животные морфологически и физиологически особым образом приспособлены к сохранению своего положения в потоке: у них есть вполне определенные пределы толерантности к фактору течения. Гидростатическое давление в океане имеет большое значение. С погружением в воду на 10 м давление возрастает на 1 атм (105 Па) . В самой глубокой части океана давление достигает 1000 атм (108 Па) . Многие животные способны переносить резкие колебания давления, особенно, если у них в теле нет свободного воздуха. В противном случае возможно развитие газовой эмболии. Высокие давления, характерные для больших глубин, как правило, угнетают процессы жизнедеятельности.
Почва
Почвой называют слой вещества, лежащий
поверх горных пород земной коры
. Русский
ученый - естествоиспытатель Василий
Васильевич Докучаев
в 1870 году первым
рассмотрел почву как динамическую, а не инертную
среду. Он доказал, что почва постоянно изменяется
и развивается, а в ее активной зоне идут
химические, физические и биологические процессы.
Почва формируется в результате сложного
взаимодействия климата, растений, животных и
микроорганизмов. В состав почвы входят четыре
основных структурных компонента: минеральная
основа (обычно 50-60 % общего состава почвы),
органическое вещество (до 10 %), воздух (15-25 %) и вода
(25-30 %). Минеральный скелет почвы - это
неорганический компонент, который образовался
из материнской породы в результате ее
выветривания. Органическое вещество почвы
образуется при разложении мертвых организмов, их
частей и экскрементов. Не полностью
разложившиеся органические остатки называются
подстилкой, а конечный продукт разложения -
аморфное вещество, в котором уже невозможно
распознать первоначальный материал, - называется
гумусом.
Благодаря своим физическим и
химическим свойствам гумус улучшает структуру
почвы и ее аэрацию, а также повышает способность
удерживать воду и питательные вещества. В
почве обитает множество видов растительных и
животных организмов, влияющих на ее
физико-химические характеристики: бактерии,
водоросли, грибы или простейшие одноклеточные,
черви и членистоногие. Биомасса их в различных
почвах равна (кг/га): бактерий 1000-7000,
микроскопических грибов - 100-1000, водорослей 100-300,
членистоногих - 1000, червей 350-1000. Главным
топографическим фактором является высота над
уровнем моря. С высотой снижаются средние
температуры, увеличивается суточный перепад
температур, возрастают количество осадков,
скорость ветра и интенсивность радиации,
понижаются атмосферное давление и концентрации
газов. Все эти факторы влияют на растения и
животных, обуславливая вертикальную
зональность. Горные цепи могут служить
климатическими барьерами. Горы служат также
барьерами для распространения и миграции
организмов и могут играть роль лимитирующего
фактора в процессах видообразования.
Еще один топографический фактор - экспозиция
склона. В северном полушарии склоны, обращенные
на юг, получают больше солнечного света, поэтому
интенсивность света и температура здесь выше,
чем на дне долин и на склонах северной
экспозиции. В южном полушарии имеет место
обратная ситуация. Важным фактором рельефа
является также крутизна склона. Для крутых
склонов характерны быстрый дренаж и смывание
почв, поэтому здесь почвы маломощные и более
сухие. Для абиотических условий справедливы все
рассмотренные законы воздействия экологических
факторов на живые организмы. Знание этих законов
позволяет ответить на вопрос: почему в разных
регионах планеты сформировались разные
экосистемы? Основная причина - своеобразие
абиотических условий каждого региона.
Биотические отношения и роль видов в экосистеме
Ареалы распространения и численность организмов каждого вида ограничиваются не только условиями внешней неживой среды, но и их отношениями с организмами других видов. Непосредственное живое окружение организма составляет его биотическую среду, а факторы этой среды называются биотическими. Представители каждого вида способны существовать в таком окружении, где связи с другими организмами обеспечивают им нормальные условия жизни. Рассмотрим характерные особенности отношений различных типов. Конкуренция является в природе наиболее всеохватывающим типом отношений , при котором две популяции или две особи в борьбе за необходимые для жизни условия воздействуют друг на друга отрицательно. Конкуренция может быть внутривидовой и межвидовой. Внутривидовая борьба происходит между особями одного и того же вида, межвидовая конкуренция имеет место между особями разных видов. Конкурентное взаимодействие может касаться жизненного пространства, пищи или биогенных элементов, света, места укрытия и многих других жизненно важных факторов. Межвидовая конкуренция, независимо от того, что лежит в ее основе, может привести либо к установлению равновесия между двумя видами, либо к замене популяции одного вида популяцией другого, либо к тому, что один вид вытеснит другой в иное место или же заставит его перейти на использование иных ресурсов. Установлено, что два одинаковых в экологическом отношении и потребностях вида не могут сосуществовать в одном месте и рано или поздно один конкурент вытесняет другого. Это так называемый принцип исключения или принцип Гаузе.
1) отношения между живыми организмами являются одним из основных регуляторов численности и пространственного распределения организмов в природе;
2) негативные взаимодействия между организмами проявляются на начальных стадиях развития сообщества или в нарушенных природных условиях; в недавно сформировавшихся или новых ассоциациях вероятность возникновения сильных отрицательных взаимодействий больше, чем в старых ассоциациях;
3) в процессе эволюции и развития экосистем обнаруживается тенденция к уменьшению роли отрицательных взаимодействий за счет положительных, повышающих выживание взаимодействующих видов.
Все эти обстоятельства человек должен учитывать при проведении мероприятий по управлению экологическими системами и отдельными популяциями с целью использования их в своих интересах, а также предвидеть косвенные последствия, которые могут при этом иметь место.
Функционирование экосистем
Энергия в экосистемах.
Напомним, что экосистема - это совокупность
живых организмов, обменивающихся непрерывно
энергией
, веществом и информацией друг с
другом и с окружающей средой. Рассмотрим сначала
процесс обмена энергией. Энергию определяют
как способность производить работу. Свойства
энергии описываются законами термодинамики.
Первый закон (начало) термодинамики или закон
сохранения энергии утверждает, что энергия может
переходить из одной формы в другую, но она не
исчезает и не создается заново. Второй закон
(начало) термодинамики
или закон энтропии
утверждает, что в замкнутой системе энтропия
может только возрастать. Применительно к энергии
в экосистемах удобна следующая формулировка:
процессы, связанные с превращениями энергии,
могут происходить самопроизвольно только при
условии, что энергия переходит из
концентрированной формы в рассеянную, то есть
деградирует. Мера количества энергии, которая
становится недоступной для использования, или
иначе мера изменения упорядоченности, которая
происходит при деградации энергии, есть
энтропия. Чем выше упорядоченность системы, тем
меньше ее энтропия. Таким образом, любая живая
система, в том числе и экосистема, поддерживает
свою жизнедеятельность благодаря, во-первых,
наличию в окружающей среде в избытке даровой
энергии (энергия Солнца); во вторых, способности
за счет устройства составляющих ее компонентов
эту энергию улавливать и концентрировать, а
использовав - рассеивать в окружающую среду.
Таким образом, сначала улавливание, а затем
концентрирование энергии с переходом от одного
трофического уровня к другому обеспечивает
повышение упорядоченности, организации живой
системы, то есть уменьшение ее энтропии.
Энергия и продуктивность экосистем
Итак, жизнь в экосистеме поддерживается
благодаря непрекращающемуся прохождению через
живое вещество энергии, передаваемой от одного
трофического уровня к другому; при этом
происходит постоянное превращение энергии из
одних форм в другие. Кроме того, при превращениях
энергии часть ее теряется в виде тепла.
Тогда возникает вопрос: в каких количественных
соотношениях, пропорциях должны находиться
между собой члены сообщества разных трофических
уровней в экосистеме, чтобы обеспечивать свою
потребность в энергии?
Весь запас энергии сосредоточен в массе органического вещества - биомассе, поэтому интенсивность образования и разрушения органического вещества на каждом из уровней определяется прохождением энергии через экосистему (биомассу всегда можно выразить в единицах энергии) . Скорость образования органического вещества называют продуктивностью. Различают первичную и вторичную продуктивность. В любой экосистеме происходит образование биомассы и ее разрушение, причем эти процессы всецело определяются жизнью низшего трофического уровня - продуцентами. Все остальные организмы только потребляют уже созданное растениями органическое вещество и, следовательно, общая продуктивность экосистемы от них не зависит. Высокие скорости продуцирования биомассы наблюдаются в естественных и искусственных экосистемах там, где благоприятны абиотические факторы, и особенно при поступлении дополнительной энергии извне, что уменьшает собственные затраты системы на поддержание жизнедеятельности. Такая дополнительная энергия может поступать в разной форме: например, на возделываемом поле - в форме энергии ископаемого топлива и работы, совершаемой человеком или животным. Таким образом, для обеспечения энергией всех особей сообщества живых организмов экосистемы необходимо определенное количественное соотношение между продуцентами , консументами разных порядков, детритофагами и редуцентами. Однако для жизнедеятельности любых организмов, а значит и системы в целом, только энергии недостаточно, они обязательно должны получать различные минеральные компоненты, микроэлементы, органические вещества, необходимые для построения молекул живого вещества.
Круговорот элементов в экосистеме
Откуда изначально берутся в живом веществе необходимые для построения организма компоненты? Их поставляют в пищевую цепь все те же продуценты. Неорганические минеральные вещества и воду они извлекают из почвы, CO2 - из воздуха, и из образованной в процессе фотосинтеза глюкозы с помощью биогенов строят далее сложные органические молекулы - углеводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты, витамины и т.п. Чтобы необходимые элементы были доступны живым организмам, они все время должны быть в наличии. В этой взаимосвязи реализуется закон сохранения вещества. Его удобно сформулировать следующим образом: атомы в химических реакциях никогда не исчезают, не образуются и не превращаются друг в друга; они только перегруппировываются с образованием различных молекул и соединений (одновременно происходит поглощение или выделение энергии). В силу этого атомы могут использоваться в самых различных соединениях и запас их никогда не истощается. Именно это происходит в естественных экосистемах в виде круговоротов элементов. При этом выделяют два круговорота: большой (геологический) и малый (биотический). Круговорот воды является одним из грандиозных процессов на поверхности земного шара. Он играет главную роль в связывании геологического и биотического круговоротов. В биосфере вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана образуют малый круговорот. Если же водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот становится значительно сложнее. В этом случае часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая - питает реки и водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая тем самым большой круговорот. Важное свойство круговорота воды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу. Вода - важнейший компонент всего живого. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растения в процессе транспирации, привносят минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений. Обобщая законы функционирования экосистем, сформулируем еще раз основные их положения:
1) природные экосистемы существуют за счет не загрязняющей среду даровой солнечной энергии, количество которой избыточно и относительно постоянно;
2) перенос энергии и вещества через сообщество живых орга-низмов в экосистеме происходит по пищевой цепи; все виды живого в экосистеме делятся по выполняемым ими функциям в этой цепи на продуцентов, консументов, детритофагов и редуцентов - это биотическая структура сообщества; количественное соотношение численности живых организмов между трофическими уровнями отражает трофическую структуру сообщества, которая определяет скорость прохождения энергии и вещества через сообщество, то есть продуктивность экосистемы;
3) природные экосистемы благодаря своей биотической структуре неопределенно долго поддерживают устойчивое состояние, не страдая от истощения ресурсов и загрязнения собственными отходами; получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов.
Воздействие человека на экосистему
Воздействие человека на окружающую его природную среду может рассматриваться в разных аспектах в зависимости от цели изучения этого вопроса. С точки зрения экологии представляет интерес рассмотрение воздействия человека на экологические системы под углом зрения соответствия или противоречия действий человека объективным законам функционирования природных экосистем. Исходя из взгляда на биосферу как глобальную экосистему, все многообразие видов деятельности человека в биосфере приводит к изменениям: состава биосферы, круговоротов и баланса слагающих ее веществ; энергетического баланса биосферы; биоты. Направленность и степень этих изменений таковы, что самим человеком им дано название экологического кризиса. Современный экологический кризис характеризуется следующими проявлениями:
Постепенное изменение климата планеты
вследствие изменения баланса газов в атмосфере;
- общее и местное (над полюсами, отдельными
участками суши) разрушение биосферного
озонового экрана;
- загрязнение Мирового океана тяжелыми
металлами, сложными органическими соединениями,
нефтепродуктами, радиоактивными веществами,
насыщение вод углекислым газом;
- разрыв естественных экологических связей между
океаном и водами суши в результате строительства
плотин на реках, приводящий к изменению твердого
стока, нерестовых путей и т.п.;
- загрязнение атмосферы с образованием кислотных
осадков, высокотоксичных веществ в результате
химических и фотохимических реакций;
- загрязнение вод суши, в том числе речных,
служащих для питьевого водоснабжения,
высокотоксичными веществами, включая диоксины,
тяжелые металлы, фенолы;
- опустынивание планеты;
- деградация почвенного слоя, уменьшение площади
плодородных земель, пригодных для сельского
хозяйства;
- радиоактивное загрязнение отдельных
территорий в связи с захоронением радиоактивных
отходов, техногенными авариями и т.п.;
- накопление на поверхности суши бытового мусора
и промышленных отходов, в особенности
практически неразлагающихся пластмасс;
- сокращение площадей тропических и северных
лесов, ведущее к дисбалансу газов атмосферы, в
том числе сокращению концентрации кислорода в
атмосфере планеты;
- загрязнение подземного пространства, включая
подземные воды, что делает их непригодными для
водоснабжения и угрожает пока еще мало изученной
жизни в литосфере;
- массовое и быстрое, лавинообразное
исчезновение видов живого вещества;
- ухудшение среды жизни в населенных местах,
прежде всего урбанизированных территориях;
- общее истощение и нехватка природных ресурсов
для развития человечества;
- изменение размера, энергетической и
биогеохимической роли организмов,
переформирование пищевых цепей, массовое
размножение отдельных видов организмов;
- нарушение иерархии экосистем, увеличение
системного однообразия на планете.
Заключение
Когда в середине шестидесятых годов двадцатого столетия проблемы окружающей среды оказались в центре внимания мировой общественности, встал вопрос: сколько времени в запасе у человечества? Когда оно начнет пожинать плоды пренебрежительного отношения к окружающей его среде? Ученые рассчитали: через 30-35 лет. Это время настало. Мы стали свидетелями глобального экологического кризиса, спровоцированного деятельностью человека. Вместе с тем последние тридцать лет не прошли даром: создана более твердая научная основа понимания проблем окружающей среды, образованы регламентирующие органы на всех уровнях, организованы многочисленные общественные экологические группы, приняты полезные законы и постановления, достигнуты некоторые международные договоренности. Однако ликвидируются в основном последствия, а не причины сложившегося положения. Например, люди применяют все новые средства борьбы с загрязнениями на автомобилях и стараются добывать все больше нефти вместо того, чтобы поставить под вопрос саму необходимость удовлетворения чрезмерных потребностей. Человечество безнадежно стремится спасти от вымирания несколько видов, не обращая внимание на собственный демографический взрыв, стирающий с лица земли природные экосистемы. Основной вывод из рассмотренного в учебном пособии материала совершенно ясен: системы, противоречащие естественным принципам и законам, неустойчивы. Попытки сохранить их становятся все более дорогостоящими и сложными и в любом случае обречены на неудачу. Чтобы принимать долгосрочные решения, необходимо обратить внимание на принципы, определяющие устойчивое развитие, а именно:
Стабилизация численности населения;
- переход к более энерго и ресурсосберегающему
образу жизни;
- развитие экологически чистых источников
энергии;
- создание малоотходных промышленных технологий;
- рециклизация отходов;
- создание сбалансированного
сельскохозяйственного производства, не
истощающего почвенные и водные ресурсы и не
загрязняющего землю и продукты питания;
- сохранение биологического разнообразия на
планете.
Список литературы
1. Небел Б. Наука об окружающей среде:
Как устроен мир: В 2 т. - М.:Мир, 1993.
2. Одум Ю. Экология: В 2 т. - М.: Мир, 1986.
3. Реймерс Н. Ф. Охрана природы и
окружающей человека Среды: Словарь-справочник. -
М.:Просвещение, 1992. - 320 с.
4. Стадницкий Г. В., Родионов А. И.
Экология.
5. М.: Высш. шк., 1988. - 272 с.
Термин “экосистема ” впервые был предложен английским экологом
А. Тенсли в 1935 году. Но само представление об экосистеме возникло значительно раньше. Упоминание, о единстве организмов и среды, есть в самых ранних работах. Прежде, чем дать определение экосистемы, приведем понятие самого слова “система”.
Система - это реальный или мыслимый объект, целостные свойства которого, могут быть представлены как результат взаимодействия слагающих его частей. Основные свойства системы - это единство, целостность и взаимосвязи между ее компонентами.
Экосистема - совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи. Экосистема - это широкое понятие: луг, лес, река, океан, ствол гниющего дерева, биологические пруды очистки сточных вод.
Одним из видов экосистемы является биогеоценоз - это сугубо наземная экосистема, т.е. природная экосистема на поверхности Земли (река, луг, лес и т.д.). Любой биогеоценоз является экосистемой, но не всякая экосистема может являться биогеоценозом.
Биогеоценоз (в дальнейшем будем называть экосистема) состоит из экотопа и биоценоза . Экотоп - это совокупность абиотических факторов (почва, вода, атмосфера, климат и др.). Биоценоз - совокупность живых организмов (растительность, животные, микроорганизмы).
Главное свойство экосистемы - взаимосвязь и взаимозависимость всех ее компонентов. Стрелки на схеме показывают эту взаимосвязь.
Рассмотрим на примере лесной экосистемы взаимосвязь составляющих ее компонентов.
От климата зависит водный, воздушный, температурный режимы почв, тип растительности, темпы создания органического вещества, активность микроорганизмов.
Почва оказывает влияние на климат; в атмосферу из почвы выделяется углекислый газ, азот, соединения серы, метан, сероводород и другие газы.
Растительность из почвы берет воду, биогенные вещества, гумус; из атмосферы - углекислый газ, солнечную энергию, выделяет в атмосферу кислород, а после ее отмирания в почву поступает детрит.
Растительность является питанием для животных; почва - местообитанием; продукты жизнедеятельности животных поступают в почву, почвенные микроорганизмы перерабатывают их до исходных углекислого газа, воды, гумуса и других минеральных соединений.
Экосистема - это целостная, функционирующая, саморегулирующаяся система .
Для специалиста существует не природа, а экосистема, человек вырубает не лес, а экосистему, выбрасывает отходы не в окружающую среду, а в экосистемы.
На первый взгляд может показаться, что между разными экосистемами нет связи, например между лугом, лесом и прудом. Но если внимательно посмотреть, можно отметить следующее: поверхностным стоком осадков с соседнего луга в пруд вымываются частички почв, гумус, отмершая растительность; осенью часть опавших листьев из леса ветром переносится в пруд; где она разлагается и является пищей для некоторых водных организмов. В пруду живут личинки насекомых, но взрослые особи покидают водную среду и поселяются на лугу или в лесу.
Крупные наземные экосистемы называют биомами (тундра, тайга, дождевые тропические леса, саванны и др.). Каждый биом состоит из множества экосистем, связанных между собой.
Глобальная экосистема Земли - биосфера.
| Предыдущие материалы: |
Подобно тому, как люди живут в домах и квартирах, так и в природе есть свои отдельные от других системы. Они обособлены и, можно сказать, самостоятельны. Они называются экосистемами и включают множество самых разных организмов. Кроме того, они подчиняются определенным законам. В данной статье мы рассмотрим, что же такое экосистемы: понятие, структура, назначение. А также расскажем, что в них входит.
Понятие
Совокупность организмов, живущих совместно в некой среде обитания и взаимодействующих друг с другом тем или иным образом, обозначается термином "экосистема". Это понятие было предложено в 1935 году английским ученым А. Тенсли. Он занимался исследованиями взаимосвязей организмов и их совместного развития. Кстати, именно он считается одним из основоположников такой науки, как экология, которая имеет дело с изучением того, что такое экосистема. Структура экосистемы представлена двумя основными компонентами: биоценозом и биотопом. Под первым понимаются сами организмы и их взаимосвязи, а под вторым - среда обитания. Как правило, в экосистеме участвует полный набор живых существ: от бактерий до высших животных. И что удивительно, все сообщество находится в равновесии, которое, нарушаясь, восстанавливается вновь, а каждый из ее участников выполняет крайне важные функции.
Биогеоценоз
Совокупность некоторых компонентов, обменивающихся энергией и способных к более или менее - это экосистема. Структура экосистемы предполагает наличие всех основных организмов: бактерий, растений, животных, грибов. Но некоторые из них могут и отсутствовать. В этой ситуации есть смысл отделить это понятие от биогеоценоза. Данный термин подразумевает сообщество, в котором есть все вышеперечисленные компоненты. Более того, биотическая структура экосистемы может включать в себя только одного участника, к примеру, только бактерий. Эта ситуация может наблюдаться в сообществах, сформировавшихся, например, на базе трупов животных. Таким образом, экосистема и биогеоценоз - это не синонимы, ведь последний является более широким понятием. Несмотря на это, их часто путают.
Классификация и структурирование
Помимо того что ученые разделяют по некоторым критериям экосистемы между собой, они также интересуются их внутренним устройством. Различные подходы и точки зрения в сумме дают достаточно полную картину, которая позволяет рассмотреть каждый элемент отдельно. Неудивительно, что в структурировании применяется столько критериев: тип питания и функции, видовая принадлежность, местонахождение участников. Разумеется, стоит рассмотреть самые важные из факторов подробнее, ведь экологическая структура экосистемы без разговора, например, о ее составе, имеет мало смысла.
Что же касается разделения сообществ между собой, как правило, главным критерием выступает преобладающая среда. Еще одной важной чертой является естественность ее происхождения и способность к автономному поддержанию функционирования. Здесь уже речь идет в первую очередь о вмешательстве в природу человеческого фактора, который тоже есть смысл обозначить более подробно, но позднее.
По функциям
Трофическая структура экосистемы разграничивает участвующие в ней организмы по типу питания. Согласно круговороту веществ в природе, ничто не берется из пустоты и не может просто так исчезнуть. Очевидно, дело лишь в том, как преображаются те или иные материи. И здесь в дело вступают две противоположные группы организмов: автотрофы и гетеротрофы. Последние - это животные и грибы, которые потребляют органику. Первые же (растения и бактерии) поступают в точности наоборот. Кстати, они в свою очередь делятся на фотосинтетиков и хемосинтетиков.
Функциональная структура экосистемы предполагает такое же деление, но под другими наименованиями. Здесь речь идет о продуцентах, редуцентах, консументах и деструкторах. Два этих подхода тесно связаны с понятием пищевых цепочек.
По иерархии
Естественно, любая система подобной сложности делится на несколько уровней. Первым и самым всеобъемлющим является уже упомянутый биоценоз, являющийся совокупностью всех участвующих живых организмов. Далее экосистем предполагает деление на фито-, зоо-, мико- и микробоценоз. Каждая из этих отдельных групп содержит совокупность, называемую популяцией. Наконец, самой мелкой единицей служит особь (или индивидуум), представляющая собой отдельный экземпляр.
Есть и функциональная иерархия. Трофическая структура экосистемы, как уже было упомянуто, предполагает разделение на продуцентов, консументов, редуцентов и деструкторов. Но и здесь есть несколько уровней. Так, все начинается с зеленых растений, которые получают минеральные вещества и воду из почвы, а также солнечный свет. Травоядные уже относятся к консументам первого уровня и потребляют зелень в пищу. В свою очередь, они служат кормом для хищников, стоящих на ступень выше. Так что и здесь видна своя особая иерархия.
По видам
Даже в пределах одного типа организмов может наблюдаться некое разнообразие, и это не вызывает удивления. Видовая структура экосистемы - ее важный показатель, отражающий соотношение тех или иных растений, животных, грибов, микроорганизмов и т. д. Эта характеристика зависит от большого числа факторов: географическое положение, климатический пояс, водный режим, возраст сообщества. Похожие видовые составы могут наблюдаться в тысячах километров друг от друга, если основные показатели в них схожи. Помимо самого наличия тех или иных организмов, важна и их численность. Наиболее распространенные в той или иной экосистеме представители живой природы называются средообразователями и, соответственно, выполняют ключевые функции и создают условия для выживания других видов.
Тем не менее, это не значит, что малочисленные участники не слишком важны. Наоборот, в ряде случаев особая биотическая структура экосистем может дать очень точную информацию о ее состоянии. Наличие редких экземпляров растений и животных может позволить понять, например, насколько чисты вода и воздух.
По пространственному признаку
На первый взгляд деление экосистем, связанное с их местонахождением, довольно очевидно. Степь, лес, пустыня, тундра, - набор живущих здесь организмов, без сомнений, будет совершенно разным. Но такая классификация уместна, только если речь идет о сравнении нескольких систем и различиях между ними.
С другой стороны, каждое отдельное сообщество будет обладать своей физической иерархией. Пространственная структура экосистемы в лесу, к примеру, легко заметна, она делится на несколько уровней. Соловьи вьют гнезда на более высоких деревьях, а трясогузки предпочитают держаться ближе к земле. Да и среди растительности неравенство очевидно: деревья, кустарники, трава и мох располагаются на совершенно разных уровнях. Ученые совокупность этих характеристик называют ярусностью, или этажностью.
Наземная экосистема
Структура экосистемы, располагающейся на суше, может быть очень разной, но практически всегда крайне интересна. Они находятся повсюду: в лесах, степях, пустынях, высоко в горах, и каждая из них по-своему любопытна. Всех их объединяет наземно-воздушная среда обитания. Между тем различий в них может быть даже больше, чем общего. Например, структура лесной экосистемы в тропиках будет совершенно непохожа на то, что наблюдается в средней полосе России. Более того, зеленый массив в Южной Америке будет разительно отличаться от картины в Юго-Западной Азии. Как уже было упомянуто, климатический пояс - это один из основных, но не единственный фактор, влияющий на то, как складывается экосистема. Структура экосистемы слишком сложна и многомерна, а потому восхитительна и загадочна.
Водная
Пресноводные и морские организмы, водоросли, планктон, медузы, глубоководные рыбы - видовая структура экосистемы, располагающейся в мировом океане, не менее занимательна, чем земная. Зачастую она может быть даже намного сложней. Структура водной экосистемы в некоторых чертах может напоминать наземную, например, здесь тоже присутствует ярусность. Но есть и очень важное отличие. Оно состоит в том, что пирамида биомассы здесь перевернута. Это означает, что первичные продуценты (здесь это разнообразный планктон) гораздо более многочисленны и размножаются быстрее, чем потребители, или консументы. В первую очередь это касается морских и океанских глубин, но и в пресноводных сообществах может наблюдаться такая же ситуация. Самое занимательное, что структура водной экосистемы включает в себя как одни из самых мелких организмов, так и самых крупных. И все они мирно живут в соседстве друг с другом.
Значение
Важность экосистем сложно переоценить. Во-первых, все они взаимосвязаны круговоротом веществ в природе. Элементы из одних систем попадают в другие, так что они еще и взаимозависимы. Во-вторых, они позволяют более или менее сохранять биоразнообразие - каждое сообщество организмов по-своему уникально, удивительно и прекрасно. Наконец, все те природные ресурсы, которые человек получает, не задумываясь, - чистая вода, сельскохозяйственные угодья, плодородная почва, свежий воздух - дает ему та или иная экосистема. Структура экосистемы, как и всей биосферы, довольно хрупка, поэтому не нужно забывать о ее роли и иногда следует задумываться о том, что планета стоит того, чтобы сберечь ее богатства для потомков.
Антропогенный фактор
Человек своей деятельностью так или иначе затрагивает практически все экосистемы. Но если влияние на некоторые из них опосредовано, то другие испытывают его напрямую. Вырубка лесов, почвы и воды, отлов рыбы и животных - все это становится серьезным испытанием для сохранения природного равновесия.
Кстати, люди продолжают учиться моделировать стабильно функционирующие экосистемы самостоятельно, а также пытаются управлять существующими. Как правило, жизненный цикл искусственно созданных сообществ не слишком велик, а стабильность вызывает массу вопросов. Тем не менее, было бы очень полезно научиться управлять экосистемами, ведь таким образом можно было бы добиться большей продуктивности сельского хозяйства, а также попытаться восстановить разрушенное. К сожалению, пока оценивается крайне негативно, ведь его действия вызывают массу последствий, в частности:
- изменение климата вследствие сдвига в газовом составе атмосферы;
- сокращение площадей лесов;
- изменение и уничтожение уникальных сообществ и условий;
- истощение природных ресурсов;
- опустынивание и ;
- накопление бытового мусора и загрязнение сред;
- изменение структуры экосистем;
- истончение озонового слоя.
Стоит задуматься над потребительским отношением человечества к планете и поразмыслить, можно ли сохранить природу в ее великолепном разнообразии. Ведь уничтожить не так уж сложно, но получится ли создать?
