Тема 6. Экологические системы. Их состав, структура, функции.

Сообщество (биоценоз) - совокупность видов животных и растений, длительное время сосуществующих в определенном регионе и образующих экологическое единство. Как и популяция, сообщество имеет собственные свойства и показатели, присущие только ему. Свойствами сообщества являются устойчивость (способность противостоять внешним воздействиям), продуктивность (способность производить живое вещество). Показатели сообщества – это характеристики его состава (видовое разнообразие, структура пищевой сети), а также соотношение отдельных групп организмов.

Экологическая система – это любое сообщество живых существ (биоценоз) вместе с его физической средой обитания (экотопом), функционирующее как единое целое. В качестве примера экосистемы может служить озеро, включающее в себя сообщество гидробионтов (организмов, жизнь которых протекает в воде), физические свойства и химический состав воды, особенности рельефа дна, состав и структуру грунта, атмосферный воздух, взаимодействующий с поверхностью воды, солнечную радиацию.

Для экосистем характерен постоянный обмен энергией и веществом между живой и неживой природой. Причем элементы живой и неживой природы в экосистеме находятся в постоянном взаимодействии.

Заметим, что экосистема – понятие очень широкое и применимое как к естественным (например, тундра, океан), так и к искусственным комплексам (например, аквариум). Для обозначения элементарной природной экосистемы в экологии используют термин биогеоценоз.

Биогеоценоз – совокупность живых организмов (биоценоз) и абиотической среды вместе с занимаемым ими участком земной поверхности (экотопом). Граница биогеоценоза устанавливается по границе растительного сообщества (фитоценоза) – важнейшего компонента в системе биогеоценоза. Для каждого биогеоценоза характерен свой тип вещественно-энергетического обмена.

Ландшафт – это достаточно обширный участок земной поверхности, в пределах которого различные компоненты природы (горные породы, рельеф, климат, почвы, растительный и животный мир), взаимосвязанные и взаимообусловленные, составляют одно целое, образуя определенный вид местности. Итак, ландшафт – это территория, характеризуемая суммой типичных признаков и включающая определенную совокупность биогеоценозов.

Совокупности природных ландшафтов, сходных по морфологическим, функциональным и экологическим особенностям, образуют ландшафтные зоны (тундровую, таежную, степную) или зональные типы ландшафтов.

Экология рассматривает также антропогенные типы ландшафтов, возникшие в результате хозяйственной деятельности человека (городской, сельскохозяйственный, промышленный и др.).

Рис. 6.1. Взаимосвязь в системе биогеоценоза

При классификации наземных экосистем обычно используют признаки растительных сообществ (составляющих основу экосистем) и климатические (зональные) признаки. Можно выделить определенные типы экосистем: тундра лишайниковая, моховая, лес хвойный (еловый, сосновый), лес лиственный (березняк), степь, кустарники (ивняк), болото травянистое и т.п.

Заметим, что растительные сообщества обычно не имеют резких границ. Они переходят друг в друга постепенно – в соответствии с изменением условий местообитаний. Учитывая переходные полосы, можно достаточно четко установить границы, отделяющие одну экосистему от другой, т.е. определить границы биогеоценозов.

В основу классификации природных экосистем часто кладут характерные экологические признаки местообитаний, выделяя сообщества морских побережий или шельфа, озер или прудов, пойменные или суходольные луга, леса, устья больших рек и др.

Все биогеоценозы связаны между собой и вместе образуют живую оболочку Земли, которую можно рассматривать как большую экосистему. Эту экосистему называют биосферой. Огромный вклад в разработку биогеоценологии внес отечественный ученый акад. В.Н.Сукачев (1880-1967).

Структуры экологических сообществ, их основные компоненты

Структура сообщества – это показатель соотношения различных групп организмов, различающихся по систематическому положению; по роли, которую они играют в процессах переноса энергии и вещества; по месту, занимаемому в пространстве, в пищевой (трофической) сети, либо по иному признаку.

Видовая структура. Одним из важнейших показателей структуры сообщества является видовой состав входящих в сообщество организмов. Видовой состав сообщества определяется рядом факторов, важнейшие из них: географическое местоположение, определяющее состав флоры и фауны, особенности климата, тип ландшафта и его высота над уровнем моря, водный режим и, естественно, возраст сообщества. В пределах отдельных континентов и климатических зон сходные по видовому составу сообщества формируются в районах, сходных по экологическим условиям.

Между лесами на юге и полярными льдами на севере расположена обширная полоса безлесной местности – зона тундры. Факторами, определяющими состав населения тундры, являются: низкие температуры, короткий сезон вегетации, промерзший (за исключением тонкого слоя) грунт. Растительность тундры представлена осоками, злаками, лишайниками, иногда карликовыми деревьями. Животное население тундры представлено птицами, крупными (северный олень, овцебык) и мелкими растительноядными млекопитающими и хищниками (белый медведь, волк и т.д.). Заметим, что небольшие районы тундры со сходным составом жизненных форм (а в ряде случаев и видов) встречаются в высоких горах умеренной зоны и даже тропиков (альпийская тундра).

Отметим, что много общего в составе населения хвойных лесов, вытянувшихся широким поясом через всю Евразию и Северную Америку, в населении степей, предгорий, пустынь, иногда отдаленных друг от друга тысячами километров.

Естественно, что долевое участие каждого вида в сообществе различно. В сообществе, как правило, имеется несколько видов, представленных большим числом особей, или большой биомассой, и сравнительно много видов с низкой численностью. Виды с высокой численностью играют значительную роль в жизни сообщ6ества, это, так называемые виды-средообразователи. В лесных экосистемах к ним относятся виды преобладающих древесных растений, они определяют условия, необходимые для выживания других видов живых существ: трав, насекомых, птиц, зверей, мелких беспозвоночных и микроорганизмов. Отметим, что, как правило, стенобионтные виды часто оказываются лучшими индикаторами (показателями) состояния сообщества. Это обусловлено тем, что для поддержания жизни редких видов требуются строго определенные сочетания различных факторов (например, температуры, влажности, состава почв и т.п.). Поддержание необходимых условий во многом зависит от нормального функционирования экосистем, по исчезновению редких видов можно сделать о том, что функционирование экосистемы нарушилось.

Рис. 6.2. Ярусы растительного сообщества

По обилию видов (их общему числу и соотношению) судят о видовом разнообразии, сообщества. Видовое разнообразие – признак экологического разнообразия: чем больше экологических ниш, тем выше разнообразие видов. В разновозрастных смешанных лесах, где есть старые деревья, сухостой и бурелом, где развиты подлесок и травяной покров, животное население более разнообразно и многочисленно по сравнению с молодыми лесами или лесами с преобладанием лишь одной породы деревьев (рис. 6.2.).

С

Подстилка

ухудшением условий жизни сообщества видовое разнообразие снижается, однако, численность оставшихся видов может возрастать. На местах вырубок, например, исчезают черника, кислица, зеленые мхи, но возрастает численность кипрея, верейников и ряда других светолюбивых растений. Одновременно при этом возрастает численность насекомых и привлекаемых ими дятлов, мухоловок и др. Общей закономерностью является то, что при снижении видового разнообразия сообщество теряет устойчивость, заметное воздействие на него оказывают колебания численности отдельных видов. Чем выше видовое разнообразие сообщества, тем оно более устойчиво к внешним воздействиям, тем шире возможность его адаптации к меняющимся условиям жизни. За счет видового разнообразия сообщество обеспечивает себе как бы резерв выживаемости на случай неожиданных изменений условий в окружающей среде. При этом имеют значение размеры организмов: обычно разнообразие больше у мелких организмов, чем среди крупных. Например, в лесу можно встретить больше видов мелких клещей, чем крупных млекопитающих. Общее число видов в сообществах, находящихся в суровых условиях существования (например, в Арктике), сокращается. Сокращение числа видов происходит и при географической изоляции (например, на островах, окруженных морями континентов).

Морфологическая и пространственная структура сообщества

Сообщества, независимо от местоположения и состава, присутствующих в нем видов, обладают некоторыми признаками, которые облегчают их анализ и сравнение друг с другом. К таким признакам относят соотношение организмов с определенными типами внешнего строения и пространственную организацию общества.

Определенные типы внешнего строения организмов, возникшие как приспособления к условиям местообитаний, называются жизненными формами.

Заметим, что жизненные формы у растений и животных очень разнообразны. Наиболее распространенные жизненные формы у растений – деревья, кустарники, травы.

О характерных чертах растительного сообщества, например, можно судить по соотношению присутствующих жизненных форм. Число жизненных форм, входящих в биоценоз организмов, обычно гораздо меньше числа образующих его видов, а преобладание тех или иных форм характеризует общие условия жизни организмов. Набор жизненных форм, их соотношение определяют морфологическую (от греч. морфе – форма) структуру сообщества. По доминирующим жизненным формам растительности, например, определяется принадлежность сообщества к тому или иному типу – лесу, лугу.

Отметим, что разные жизненные формы, сосуществующие в сообществе, обычно обособленны пространственно. Это выражается в горизонтальном и вертикальном расчленении фитоценоза на отдельные элементы, каждый из которых играет свою роль в накоплении и преобразовании вещества и энергии. Такое расчленение определяет пространственную структуру сообщества.

Любое растительное сообщество, разделяется на ярусы – горизонтальные слои, толщи, в которых располагаются надземные или подземные части растений определенных жизненных форм. Ярусность особенно ярко выражена в лесных фитоценозах, в которых обычно возникает пять-шесть ярусов: древесные ярусы (высокие и низкие деревья), кустарниковый (подлесок), травяно-кустарничковый, моховой (или лишайниковый), подстилка (опавшая листва). Малоярусные сообщества – луг, степь, болото – имеют по два-три яруса.

Подземная ярусность идентична надземной: корни наиболее высоких растений (деревьев) проникают глубже всех, корни низких (трав, кустарников) располагаются у поверхности почвы; наибольшая масса корней находится в верхних слоях почвы.

Животное население биоценоза, связанное с растениями, также распределено по ярусам. Например, разные виды птиц строят гнезда и кормятся в разных ярусах – на земле (трясогузка), в кустарниках (малиновка, соловей), в кронах деревьев (сороки, грачи).

По горизонтали сообщество также расчленяется на отдельные элементы – микрогруппировки, расположение которых отражает неоднородность условий жизни.

Морфологическая и пространственная структура сообщества – показатель разнообразия условий жизни организмов, богатства и полноты использования ими ресурсов среды. Они характеризуют в определенной мере также устойчивость сообществ, их способность противостоять внешним воздействиям.

Трофическая структура сообщества. Жизнь любого организма поддерживается благодаря связям с другими живыми существами. Бактерии, животные, грибы живут за счет вещества, создаваемого растениями, которые, в свою очередь, нуждаются и в животных, участвующих в опылении и распространении семян, и в микроорганизмах, возвращающих в почву минеральные соли из мертвого опада. Из разнообразных связей между организмами наиболее важное значение имеют пищевые, или трофические (от греч. трофо – питание), связи, благодаря которым осуществляется непрерывный вещественно-энергетический обмен между живым и неживым веществом природы.

Схему пищевых связей между организмами сообщества обычно представляют в виде набора маршрутов, по которым вещество и энергия передаются от одного вида организмов к другому. Каждый из этих маршрутов это - пищевая цепь. Простой пример пищевой цепи: растение – растительноядное насекомое - хищное насекомое - насекомоядная птица – хищная птица.

Отметим, что лишь зеленые растения способны фиксировать световую энергию и использовать в питании простые неорганические вещества. Такие организмы называют автотрофами (от греч. авто – сам и трофо – питание), т.е. самопитающиеся или продуцентами (производителями). Они – важная часть сообщества, так как практически все остальные организмы, входящие в его состав используют вещество и энергию, запасенные растениями. На суше большая часть автотрофов – это крупные растения, тогда как в водоемах их роль берут на себя микроскопические водоросли, парящие в толще воды (фитопланктон).

Все остальные организмы относятся к гетеротрофам (от греч. гетерос – разный), питающимся готовыми органическими веществами. Гетеротрофы разлагают, перестраивают и усваивают сложные органические вещества, созданные первичными продуцентами. Все животные – это гетеротрофы.

В экологии гетеротрофные организмы принято подразделять на потребителей (консументов) и разлагателей (редуцентов). Потребители - это, в основном животные, которые поедают другие организмы (растительные и животные) или измельченные органические вещества. Редуценты представлены, в основном, грибами и бактериями, разлагающими сложные составные компоненты мертвой цитоплазмы. Интенсивная гетеротрофная деятельность протекает в почве и иле.

Трофический уровень организма – положение организма в пищевой цепи характеризуется его положением от основного источника поступающей в сообщество энергии. Так автотрофы занимают первый трофический уровень, а гетеротрофы – организмы – второй, плотоядные – третий, хищники, питающиеся плотоядными животными, - четвертый и т.д.

Тестовые задания.

1.Сообщество (биоценоз) это:

1. Совокупность видов животных и растений, длительное время сосуществующих в определенном регионе и образующих экологическое единство.

2. Совокупность видов животных и растений, длительное время сосуществующих в определенном регионе.

3. Совокупность живых организмов составляющих полноценную замкнутую пищевую цепочку.

4. Совокупность живых организмов и неживой природы в определенной местности.

2.Экологическая система – это:

1. Любой биоценоз вместе с его физической средой обитания, функционирующие как единое целое.

2. Самый большой биоценоз биосферы.

3. Несколько любых соседствующих биоценозов.

4. Биоценоз и влияние на него человека.

3.Экосистема – понятие, применимое:

1. Как к естественным, так и к искусственным комплексам.

2. Только к естественным комплексам.

3. Только к естественным и долгосуществующим (от тысячи лет) комплексам.

4. Только к искусственным комплексам.

4.Ландшафт – это:

1. Территория, характеризуемая суммой типичных признаков и включающая определенную совокупность биогеоценозов.

2. Территория, характеризуемая суммой типичных признаков и включающая определенный биогеоценоз.

3. Территория, характеризуемая малым количеством признаков, присущих исключительно одному биогеоценозу.

4. Территория состоящая из нескольких экосистем.

5.Все биогеоценозы связаны между собой и образуют:

1. Биосферу.

2. Макробиогеоценоз.

3. Максибиогеоценоз.

4. Систему замкнутых экологических объектов.

6.Видовой состав сообщества определяется рядом факторов, таких как:

1. Географическое местоположение, особенности климата, тип ландшафта, водный режим, возраст сообщества.

2. Возраст, количество особей сообщества, типовые и видовые различия и морфология видом.

3. Молекулярная и генетическая структура и ее схожесть.

4. Температурный режим, продолжительность времен года, соотношение теплых и холодных дней в году.

7.Расположите ярусы растительного сообщества:

1. Подстилка. (5)

2. Малые деревья. (2)

3. Большие деревья. (1)

4. Мхи и лишайники. (4)

5. Трава и кустарники. (3)

8.Наиболее распространенные жизненные формы у растений: