Особенности экосистем

Понятие о экосистемах. Любую совокупность организмов и неорганических компонентов окружающей их среды, в которой может осуществляться круговорот веществ, называют экологической системой или экосистемой.

Главная ее особенность состоит в том, что в ней длительное время поддерживаются вполне устойчивые взаимодействия (обмен веществом, энергией и информацией) между элементами живой и неживой природы. Таким образом, в отличие от популяции или даже сообщества экосистему можно считать вполне самостоятельным объектом, поскольку в ней имеются все компоненты, необходимые для ее длительного существования. Экосистемами являются лес, озеро, тундра и так далее, но к ним следует отнести и каплю воды со всеми ее обитателями (рис. 1).

Понятия «экосистема» и «биогеоценоз» близки по сути. Первое из них приложимо для обозначения систем, обеспечивающих круговорот любого ранга, а «биогеоценоз» – понятие территориальное, относящееся к таким участкам суши, которые заняты фитоценозами. Концепции экосистем и биогеоценозов, дополняя и обогащая друг друга, позволяют рассматривать функциональные связи сообществ и окружающей их абиотической среды в разных аспектах.

Потоки вещества и энергии в экосистеме. Экосистема может обеспечить круговорот веществ только в том случае, если включает четыре необходимые для этого части: 1) запасы биогенных элементов; 2) продуценты; 3) консументы; 4) редуценты. На их сложном и постоянном взаимодействии основан первый (основной) принцип функционирования экосистем:

получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов.

Рис. 1. Группы природных экосистем (по Ю. Одуму, 1986 г.)

Ту́ндра — вид природных зон, лежащих за северными пределами леснойрастительности, пространства с вечномёрзлой почвой, не заливаемой морскими или речными водами.

Тайга́ — биом, характеризующийся преобладанием хвойных лесов (бореальных видов ели, пихты, лиственницы, сосны, в том числе кедровой).

Сава́нны — обширные пространства в субэкваториальном поясе, покрытые травяной растительностью с редко разбросанными деревьями и кустарниками. 

Апвеллинг (англ. upwelling) или подъём — это процесс, при котором глубинные воды поднимаются к поверхности. 

Эстуа́рий (от лат. aestuarium — затопляемое устье реки) — однорукавное, воронкообразное устье реки, расширяющееся в сторону моря.

Глубоководные фотографии рифтовой зоны показывают причудливую картину разбросанных повсюду «подушек» из лавы — выпуклых, плоских, ноздреватых, кольчатых и удлинённых, как огромные гусеницы. Глубокие трещины прорезают дно, почти отвесно вздымаются склоны гор. На этих склонах часто бывают оползни, когда громадные глыбы лавы обрушиваются на подводные равнины.

Данный принцип гармонирует с законом сохранения массы. Так как атомы не возникают, не исчезают и не превращаются один в другой, они могут использоваться бесконечно, переходя в самые различные химические соединения. Именно это и происходит в природных экосистемах.

Необходимо подчеркнуть, однако, что биологический круговорот веществ (точнее элементов) есть результат деятельности организмов, которым для этого требуются постоянные энергетические затраты, компенсируемые Солнцем. Энергия солнечных лучей, поглощаемая зелеными растениями, в отличие от химических элементов, не может использоваться организмами бесконечно. Данное заключение вытекает из второго закона термодинамики:

энергия при превращении из одной формы в другую, то есть при совершении работы, частично переходит в тепловую форму и рассеивается в окружающей среде.

Следовательно, каждый цикл круговорота, зависящий от активности организмов и сопровождаемый потерями энергии из них, требует все новых дотаций энергии. Отсюда существование экосистем любого ранга и вообще Жизни на Земле обусловлено постоянным круговоротом веществ, который, в свою очередь, поддерживается постоянным притоком солнечной энергии. В этом состоит второй основной принцип функционирования экосистем:

они существуют за счет не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.

Подчеркнем тот факт, что, в отличие от веществ, которые постоянно циркулируют по разным блокам экосистемы и всегда могут вновь входить в круговорот, поступившая энергия может быть использована один раз и может идти только в потоке энергии.

Для изучения развития различных экосистем большой интерес представляет закон максимизации энергии (Г. Одум, Ю. Одум):

в соперничестве с другими экосистемами выживает (сохраняется) та из них, которая наилучшим образом способствует поступлению энергии и использует максимальное ее количество наиболее эффективным способом.

Авторы данного закона указывают: «с этой целью система: 1) создает накопители (хранилища) высококачественной энергии (например, запасы жира); 2) затрачивает определенное количество накопленной энергии на обеспечение поступления новой энергии; 3) обеспечивает круговорот различных веществ; 4) создает механизмы регулирования, поддерживающие устойчивость системы и ее способность к приспособлению к изменяющимся условиям; 5) налаживает с другими системами обмен, необходимый для обеспечения потребности в энергии специальных видов».

Закон максимизации энергии справедлив и в отношении информации, следовательно (по Н.Ф. Реймерсу), его можно рассматривать более широко как закон максимизации энергии и информации:

наилучшими шансами на самосохранение обладает система, в наибольшей степени способствующая поступлению, выработке и эффективному использованию энергии и информации.

Цепи питания. Между организмами биоценоза возникают и устанавливаются прочные пищевые взаимоотношения или цепи питания. Те из них, которые начинаются с фотосинтезирующих организмов, называют цепями выедания (или пастбищными), а цепи, начинающиеся с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных, – детритными цепями.

Место каждого звена в цепи питания называют трофическим уровнем, он характеризуется различной интенсивностью протекания потока веществ и энергии. Первый трофический уровень всегда составляют продуценты (например, капуста); растительноядные консументы (заяц) относятся ко второму трофическому уровню; плотоядные, живущие за счет растительноядных форм консументов – к третьему; потребляющие других плотоядных – соответственно к четвертому и т.д. Вследствие этого различают консументов первого, второго, третьего и четвертого порядков, занимающих разные уровни в цепях питания. Следовательно, пищевая цепь – основной канал переноса энергии, заключенного в пище, в сообществе.

Согласно расчетам, на каждом этапе передачи вещества и энергии по пищевой цепи теряется примерно 90 % энергии и только около одной десятой доли ее переходит к очередному потребителю. Указанное соотношение в передаче энергии в пищевых связях организмов называют «правилом десяти процентов». Например, количество энергии, которое доходит до третичных плотоядных (пятый трофический уровень), составляет лишь около 10^-4 энергии, поглощенной продуцентами. Этим объясняется ограниченное количество (5–6) звеньев (уровней) в пищевой цепи независимо от сложности видового состава биоценоза.