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?
Впервые термин "Экосистема" был предложен в 1935 году английским экологом А. Тенсли. Экосистема – это основная структурная единица экологии, представляет собой единый природный или природно-антропогенный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, в котором живые и косные экологические компоненты, объединены причинно-следственными связями, обменом веществ и распределением потока энергии. Экосистемы очень разнообразны. Существует несколько классификаций экосистем.
По происхождению различают следующие типы экосистем.
1. Природные (естественные) экосистемы - это такие экосистемы, в которых биологический круговорот протекает без прямого участия человека. По энергетическому признаку они делятся на два вида:
Экосистемы, полностью зависящие от прямого солнечного излучения, получающие мало энергии, и поэтому малопродуктивны. Однако они крайне важны, так как занимают огромные площади, на которых очищаются большие объемы воздуха, формируются климатические условия и т.д.
Экосистемы, получаемые энергию и от Солнца, и от других естественных источников. Данные экосистемы намного продуктивнее первых.
2. Антропогенные (искусственные) экосистемы - экосистемы, созданные человеком, которые способны существовать только при поддержке человека. Среди данных экосистем выделяют:
Агроэкосистемы (греч. agros - поле) - искусственные экосистемы, возникающие в результате сельскохозяйственной деятельности человека;
Техноэкосистемы - искусственные экосистемы, возникающие в результате промышленной деятельности человека;
Урбаноэкосистемы (лат. urbanus - городской) - экосистемы, возникающие в результате создания поселений человека. В индустриально-городских экосистемах энергия топлива не дополняет, а заменяет солнечную энергию. Потребность в энергии плотно заселенных городов на 2-3 порядка больше того потока, который поддерживает жизнь в эстественных экосистемах, движимых Солнцем. Существуют и переходные между природными и антропогенным типы экосистем, например, экосистемы естественных пастбищ, используемых человеком для выпаса сельскохозяйственных животных. Все экосистемы взаимосвязаны и взаимозависимы. Существует классификация естественных экосистем в зависимости от природных и климатических условий, основанная на преобладающем типе растительности в крупных регионах-биомах. Биом – совокупность различных групп организмов и среды их обитания в определенной ландшафтно-географической зоне. Биом характеризуется основным типом климата, растительности или особенностями ландшафта. К основным типам природных экосистем и биомов (по Ю. Одуму, 1986) относятся следующие наземные экосистемы:
Вечнозеленый тропический дождевой лес;
Полувечнозеленый тропический лес (выраженный влажный и сухой сезоны);
Пустыня травянистая кустарниковая;
Чапараль – районы с дождливой зимой и засушливым летом;
Тропические злаковники (грасленд) и саванна;
Степь умеренной зоны;
Листопадный лес умеренной зоны;
Бореальные хвойные леса;
Тундра арктическая и альпийская.
В водных местообитаниях, где растительность малозаметна, в основе выделения экосистем находятся гидрологические и физические особенности среды, например "стоячая вода", "текучая вода". Водные экосистемы делятся на пресноводные и морские.
Пресноводные экосистемы:
Ленточные (стоячие воды) – озера, пруды и т.д.;
Лотические (текучие воды) – реки, ручьи и т.д.;
Заболоченные угодья – болота и болотистые леса.
Морские экосистемы:
Открытый океан (пелагическая экосистема);
Воды континентального шельфа (прибрежные воды);
Районы апвеллинга (плодородные районы с продуктивным рыболовством);
Эстуарии (прибрежные бухты, проливы, устья рек и др.);
Глубоководные рифтовые зоны.
Понятие об экосистемах и их место в организации биосферы.
Структурной единицей биосферы является экосистема.
Экологическая система – это взаимосвязанная, единая функциональная совокупность живых организмов и среды их обитания. Составными частями экосистемы являются биоценоз (совокупность живых организмов) и биотоп (место их жизни, неживые компоненты).
ЭКОСИСТЕМА = БИОЦЕНОЗ + БИОТОП
Растения и животные, занимающие определенный биотоп (местообитание), составляют жизненное сообщество - биоценоз. Можно сравнить биотоп с сосудом, а биоценоз с его содержимым.
Термин «экосистема» был введен английским экологом Артур Тэнсли в 1935 году. В 1944 году В. Н. Сукачевым предложен термин «биогеоценоз», а В. И. Вернадский использовал понятие «биокосное тело». Главное значение этих понятий состоит в том, что они подчеркивают обязательное наличие взаимоотношений, взаимозависимости и причинно-следственных связей, иначе говоря, объединение компонентов в функциональное целое. В качестве примера экосистемы можно привести озеро, лес и т. п.
Биогеоценоз и экосистема – близкие по своей сути понятия, но данные разными учеными в разное время. Дискуссии по этому поводу среди ученых продолжаются до сих пор. Высказать свою точку зрения о том, различны или равнозначны эти понятия, можете и вы. Биоценоз возникает лишь тогда, когда каждый вид располагает собственной нишей и собственной средой обитания, когда он сумел приспособиться к окружающим условиям.
Различие между экосистемой и биогеоценозом следующие :
1. термин «экосистема» чаще употребляется в отечественной науке;
2. понятие «экосистема» имеет более широкое значение, чем «биогеоценоз»;
3. термин «биогеоценоз» употребляется лишь по отношению к природным сообществам, в экосистему включены Биосфера, Человек и его влияние на прочие компоненты сообщества.
Компоненты и состав экосистемы
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. Возврат биогенных элементов в среду происходит как в течение жизни организмов, так и после их смерти, в результате разложения трупов. Сообщество образует с неорганической средой определенную систему, в которой поток атомов, вызываемый жизнедеятельностью организмов, имеет тенденцию замыкаться в круговорот.
А. Тенсли рассматривал экосистемы как основные единицы природы на поверхности Земли, охватывающие пространство любой протяженности (пень и весь земной шар). Для поддержания круговорота веществ в системе необходимо наличие запаса неорганических молекул в усвояемой форме и четырех функционально различных компонентов: абиотическая среда, продуценты, консументы и редуценты.
1. Неживая (абиотическая) среда - это вода, минеральные вещества, газы, а также неживые органические вещества и гумус.
2 Продуценты (производители) - живые существа, способные из неорганических материалов среды строить органические вещества. Такую работу выполняют главным образом зеленые растения, производящие с помощью солнечной энергии из углекислого газа, воды и минеральных веществ органические соединения. Этот процесс называют фотосинтезом. При нем высвобождается кислород. Органические вещества, производимые растениями, идут в пищу животным и человеку, кислород используется для дыхания.
3. Консументы - потребители растительной продукции. Организмы, питающиеся только растениями, называют консументами первого порядка. Животных, питающихся только (или преимущественно) мясом, называют консументами второго порядка.
4. Редуценты (деструкторы, разлагатели) - группа организмов, которые разлагают остатки отмерших существ, например, растительные остатки или трупы животных, превращая их снова в исходное сырье (вода, минеральные вещества и углекислый газ), пригодное для продуцентов, превращающих эти составные части снова в органические вещества. К редуцентам относятся многие черви, личинки насекомых и другие мелкие почвенные организмы. Бактерии, грибы и другие микроорганизмы, превращающие живое вещество в минеральное, называют минерализаторами.
Цепи питания и экологические пирамиды
Солнце обеспечивает постоянный приток энергии, а живые организмы в конечном счете рассеивают ее в виде тепла. В процессе жизнедеятельности организмов происходит постоянный круговорот энергии и веществ, причем каждый вид использует лишь часть содержащейся в органических веществах энергии. В результате возникают цепи питания – трофические цепи, пищевые цепи , представляющие собой последовательность видов, извлекающих органические вещества и энергию из исходного пищевого вещества, при этом каждое предыдущее звено становится пищей для следующего (рис. 1).
В 1934 году Ч. Элтон предложил понятие цепи питания.
Цепи питания - это перенос вещества и энергии по трофическим уровням (строятся по принципу - каждое последующие звено питается предыдущим).
На каждом трофическом уровне экосистемы происходит борьба за первенство в обладании пищей. Это позволяет выжить популяциям с большей конкурентоспособностью (живучестью). Конкурентоспособность растений зависит от скорости роста, плодовитости, приспособленности к абиотическим факторам, а животных - от плодовитости, развитости органов чувств, скорости перемещения, выносливости, образа жизни.
Рисунок 1. Общая схема пищевой цепи
В любой цепи питания организм занимает определенное местоположение - экологическую нишу. Экологическую нишу могут занимать разные виды организмов, сходные по характеру питания.
Известный эколог Линдеманн в 1942г. сформулировал закон превращения энергии в экосистемах - «закон 10% ».
Экологическая пирамида – это графическое изображение взаимоотношений в цепях питания. Различают: по числу, по биомассе и по энергии.
Рисунок 2 – Экологическая пирамида
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 -- это любая совокупность взаимодействующих живых организмов и условий среды. Термин «экосистема» ввел А. Тенсли в 1935 г.
Основные свойства:
1) способность осуществлять круговорот веществ
2) противостоять внешним воздействиям
3) производить биологическую продукцию
Виды экосистем:
1) микроэкосистемы (ствол дерева в стадии размножения, аквариум, небольшой водоем, капля воды и т. д.)
2) мезоэкосистема (лес, пруд, степь, река)
3) макроэкосистема (океан, континент, природная зона)
4) глобальная экосистема (биосфера в целом)
Самой большой экосистемой является биосфера -- оболочка планеты, заселенная живыми организмами. Толщина биосферы немногим больше 20 км (организмы обитают над поверхностью суши не выше 6 км над уровнем моря, опускаются не глубже 15 км в толщу суши и на 11 км в глубь океана), но основная масса живого вещества сконцентрирована в приповерхностном слое толщиной 50 - 100 м -- это высота лесного полога и глубина проникновения основной массы корней. В этих границах сконцентрированы наземные и почвенные животные и микроорганизмы. В океане наиболее обжиты растениями и животными освещаемые солнцем и прогреваемые до глубины 10 - 20 м приповерхностные толщи воды. В этом тонком слое биосферы сконцентрировано более 90% биомассы растений и животных.
Одум предложил классификацию экосистемы на основе биомов. Это крупные природные экосистемы соответствующие физико-географическим зонам. Характеризуется каким - либо основным типом растительности или другой характерной особенностью ландшафта.
Типы биомов:
1) наземные (тундра, тайга, степи, пустыни)
2) пресноводные (текучие воды: реки, ручьи, стоячие воды: озера, пруды, заболоченные воды: болота)
3) морские (открытый океан, воды шельфа, глубоководные зоны)
Экологи используют также термин «биогеоценоз», предложенный советским ботаником В.Н. Сукачевым. Этим термином обозначается совокупность растений, животных, микроорганизмов, почвы и атмосферы на однородном участке суши. Биогеоценоз является синонимом экосистемы.
В зависимости от воздействия хозяйственной деятельности человека системы подразделяются на:
1) естественные, сохранившиеся в неприкосновенности;
2) модифицированные, изменившиеся от деятельности человека;
3) трансформированные, преобразованные человеком.
Экосистема состоит из четырех основных элементов:
1. Неживая (абиотическая) среда -- это вода, минеральные вещества, газы, а также неживые органические вещества и гумус.
2. Продуценты (производители) -- живые существа, способные из неорганических материалов среды строить органические вещества. Такую работу выполняют главным образом зеленые растения, производящие с помощью солнечной энергии из углекислого газа, воды и минеральных веществ органические соединения. Этот процесс называют фотосинтезом. При нем высвобождается кислород. Органические вещества, производимые растениями, идут в пищу животным и человеку, кислород используется для дыхания.
3. Консументы -- потребители растительной продукции. Организмы, питающиеся только растениями, называют консументами первого порядка. Животных, питающихся только (или преимущественно) мясом, называют консументами второго порядка.
4. Редуценты (деструкторы, разлагатели) -- группа организмов, которые разлагают остатки отмерших существ, например, растительные остатки или трупы животных, превращая их снова в исходное сырье (вода, минеральные вещества и углекислый газ), пригодное для продуцентов, превращающих эти составные части снова в органические вещества. К редуцентам относятся многие черви, личинки насекомых и другие мелкие почвенные организмы. Бактерии, грибы и другие микроорганизмы, превращающие живое вещество в минеральное, называют минерализаторами.
Природа действует в высшей степени экономно. Созданная организмами биомасса (вещество их тел) и содержащаяся в ней энергия передаются остальным членам экосистемы: животные питаются растениями, хищные животные поедают первых, человек употребляет в пищу растения и животных. Этот процесс называют пищевой цепью.
В отношении поступления энергии природные и антропогенные (созданные человеком) экосистемы сходны. И природным, и искусственным (дома, города, системы транспорта) экосистемам требуется подвод энергии извне. Но естественные экосистемы получают энергию от практически вечного источника -- Солнца, которое к тому же, «производя» энергию, не загрязняет окружающую среду. Человек, напротив, питает процессы производства и потребления в основном за счет конечных источников энергии -- угля и нефти, которые наряду с энергией выделяют пыль, газы, тепловые и другие отходы, наносящие вред окружающей среде и не поддающиеся переработке внутри самой искусственной экосистемы. Не следует забывать, что потребление даже такой «чистой» энергии, как электрическая (если она произведена на тепловой электростанции), приводит к загрязнению воздуха и тепловому загрязнению среды.
