Учение об экосистеме.

Экосистема – это единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой обитания.

Английский эколог Тенсли предложил термин в 1935 г. Экосистемы стабильны и изменчивы. Чем сложнее экосистема, тем она устойчивее. Сложность определяется видовым разнообразием.

Э косистемы

Суши Морские Пресноводные

Тундра Открытый океан Реки

Степь Шельф Ручьи

Смеш. лес Эстуарии Озера

Гилея Глубоководная зона Водохранилища

Выделяются: микроэкосистемы (ствол гниющего дерева, аквариум, живой уголок), мезоэкосистемы – лес, пруд, озеро, садовый участок, макроэкосистемы – континент, океан, глобальные экосистемы – биосфера.

По степени хозяйственного воздействия экосистемы подразделяются на: естественные – пустыни, высокогорные области; модифицированные – изменены человеком (пастбища); трансформированные – сильно изменены (плотина на реке, зарегулированный сток в реке); искусственные – каналы, электростанции, города.

Для нормального существования экосистемы нужно связывание и освобождение энергии. Через экосистему должны проходить химические вещества. Любая экосистема состоит из двух составляющих: биоценоза и экотопа.

Биогеоценоз – экосистема.

Биоценоз: фитоценоз, зооценоз, микробоценоз.

Экотоп: гидротоп, климатоп, эдафотоп. Все перечисленные компоненты любого биогеоценоза тесно связаны между собой единством территории, общим потоком энергии (от Солнца к автотрофам и от них к гетеротрофам), обменом биогенных химических элементов, сезонными колебаниями климатических условий, численностью и взаимной приспособленностью видов всех уровней организации.

По Тенсли эти понятия тождественны. По Сукачеву: любой биогеоценоз является экосистемой, но не всякая экосистема является биогеоценозом. Экосистема может существовать без растений. Энергия экосистемы высвободится и она перестает существовать. Например, труп животного, ствол гниющего дерева. Биогеоценоз бессмертен, поскольку энергия не закончится никогда. Постоянный поток энергии обеспечивается растениями. Эта энергия переходит по пищевым цепям от растений к растительноядным животным, затем часть энергии попадает в организмы хищников, замыкают пищевую цепь редуценты, разлагающие мертвое органическое вещество.

Видовая структура экосистемы.

Под видовой структурой понимается количество видов образующих данную экосистему и соотношение их численности. Точных данных о числе видов нет. Трудно учесть видовое разнообразие мелких видов и микроорганизмов. В целом оно исчисляется десятками сотен. Чем богаче условия (биотоп), тем разнообразнее виды. Самым богатым по разнообразию – тропические леса (200 видов на 1 га).

Богатство вида зависит от возраста экосистемы. Молодые экосистемы возникшие на безжизненном субстрате, как отвалы горных пород, извлекаемых из слоев земной коры при добыче полезных ископаемых - бедны видами. В дальнейшем, по мере развития экосистемы их видовое богатство увеличивается.

В старых экосистемах, видовое разнообразие сокращается. Обычно выделяются 2-3 вида, которые преобладают по численности особей. Например, в еловом лесу – ель, в смешанном лесу – ель, береза, осина, в степи – ковыль, типчак. Они занимают все пространство оставляя меньше места для других видов.

Виды, преобладающие по численности называются доминантами (господствующий), виды создающие среду обитания называются эдификаторами.

Обычно эдификаторы и доминанты совпадают. Например, ель в еловом лесу наряду с доминантностью обладает строительными свойствами. Она затеняет почву, создает кислую среду своими корневыми выделениями и при разложении мертвого органического вещества, образует подзолистые почвы. Под ее пологом могут жить только те виды, которые любят тень.

Иногда доминаниты и эдификаторы не совпадают. Черника может быть доминантой, но не являться эдификатором.

С видовым разнообразием связана устойчивость систем к неблагоприятным факторам среды. Вид, который присутствует в числе единичных экземпляров, при неблагоприятных условиях для широко представленного вида, в том числе и доминантного, может резко увеличить свою численность и таким образом заполнить экологическую нишу.

Какую же роль играют в биоценозах малочисленные виды?

Виды доминанты определяют главные связи в сообществе. Они создают его основную структуру и внешний облик. Малочисленные виды составляют резерв сообщества. В существующих условиях они не могут реализовать свои возможности размножения, но в изменившихся условиях в состоянии включиться в состав доминантов или даже занять их место среди множества малочисленных видов. Всегда найдуится такие виды для которых отклонение условий от нормы благопричтно. Таким образом, биоценоз устойчив и не разрушается даже при изменении условий.

Соотношение видов по численности создает видовую структуру биоценоза.

Выпадение из состава биоценоза средообразователей ведет к разрушению всей системы в целом. Внезапное разрушение – это свойство всех сложных систем, у которых ослаблены внутренние связи. При восстановлении экосистем, нужно создавать сложную видовую и пространственную структуру, подбирая виды, дополняющие друг друга, уживающиеся виды, добиваются появления малочисленных форм для стабилизации сообществ.

Трофическая структура экосистем. Цепи питания.

Продуценты.

Первичными продуцентами являются автотрофные организмы, в основном зеленые растения. Некоторые синезеленые водоросли и немногочисленные виды бактерий, тоже фотосинтезируют, но их вклад относительно невелик. Фотосинтетики превращают солнечную энергию в химическую, заключенную в органических молекулах, из которых построены их ткани. Небольшой вклад в продукцию органического вещества вносят и хемосинтезирующие бактерии, извлекающие энергию из неорганических состояний.

В водных экосистемах главным продуцентами являются водоросли часто мелкие одноклеточные организмы, составляющие фотопланктон поверхностных слоев океанов и озер. На суше большую часть первичной продукции поставляют более высокоорганизованные формы, относящиеся к голосеменным и покрытосеменным. Они формируют леса и луга.

Консументы 1-го порядка.

Первичные консументы питаются первичными продуцентами, т.е. это травоядные животные. На суше типичными травоядными животными считаются многие насекомые, рептилии, птицы и млекопитающиеся. Наиболее крупные группы травоядных – грызуны и копытные. В водных экосистемах травоядные формы представлены обычно моллюски и мелкими ракообразными (раки, личинки крабов, усоногие раки, двустворчатые моллюски – мидии и устрицы). Они питаются отфильтрованными мельчайшими первичными продуцентами из воды. Жизнь в океанах почти полностью зависит от планктона, так как с него начинается все пищевые цепи.

Консументы 2-го и 3-го порядка.

Вторичные консументы питаются травоядными, это уже плотоядные животные. Консументы этих порядков могут быть хищниками. Охотится, схватывать, убивать свою жертву, могут питаться падалью или быть паразитами. В последнем случае они по величине меньше своих хозяев.

Редуценты.

Тела погибших животных и растений еще содержат энергию и «строительный материал», так же как и прижизненные выделения, например моча и фекалии. Эти органические материалы разлагаются микроорганизмами, а именно грибами и бактериями, живущими как сапрофиты на органических остатках. Такие организмы называются редуцентами. Они выделяют пищеварительные ферменты на мертвые тела или отходы жизнедеятельности и поглощают продукты их переваривания. Скорость разложения может быть различной. Органические вещества мочи, фекалий и трупов животных потребляются за несколько недель, тогда как упавшие деревья и ветви могут разлагаться многие годы. Очень существенную роль в разложении древесины играют грибы, которые выделяют фермент целлюлазу, размягчающий древесину, и это дает возможность мелким животным проникать внутрь и поглощать размягченный материал.

Кусочки частично разложившегося материала называют детритом и многие мелкие животные (детритофаги) питаются им, ускоряя процесс разложения. Бактерии, грибы, детритофаги считаются редуцентами.

В реальных условиях цепи питания могут перекрещиваться, образуя сети питания. Почти все виды животных, за исключением очень специализированных в пищевом отношении, используют не один какой-нибудь источник питания, а несколько. Если один член биоценоза выпадает из сообщества, вся система не нарушается, так как используются другие источники питания. Чем больше видовое разнообразие в биоценозе, тем он устойчивее. В цепи питания растения – заяц – лиса всего три звена. Но лиса питается не только зайцами, но и мышами, птицами. Общая закономерность состоит в том, что в начале пищевой цепи всегда находятся зеленые растения, в конце – хищники

Энергетика экосистем.

Живые организмы для своего существования должны постоянно пополнять и расходовать энергию. Только растения могут связывать энергию в процессе фотосинтеза. Связывается энергия Солнца длиной волны 380-710 нм. Эту энергию называют фотосинтетически активной радиацией. (ФАР). На эту радиацию приходится 40% солнечной радиации, достигающей земной поверхности (другие коротковолновые – ультрафиолетовые, длинноволновые – инфракрасные).

Даже по отношению а ФАР – это только 1 %. Только наиболее продуктивные экосистемы (плантация сахарного тростника, тропические леса, посевы кукурузы – связывают 3-5% ФАР.

Растения по трофическим цепям передают эту энергию другим уровням. Основная часть энергии усвоенной консументами с пищей, расходуется на движение, поддержание температуры тела, рост, дыхание.

Другая часть переходит в него потребителя, увеличивая его массу. Некоторая доля пищи не усваивается организмами и высвобождается с экскрементами. Количество энергии, выходящее с фекалиями у плотоядных невелико, а у травоядных значительно, у гусеницы выделяется до 70% энергии.

Количество энергии, расходуемой на различные цели неоднозначно. В период интенсивной жизнедеятельности взрослого организма в теле может не накапливаться энергия. Наоборот, ее траты в ряде случаев превышают поступление (организм теряет вес). В период размножения (беременности) в теле фиксируется значительное количество энергии.

Однако, траты организма на дыхание до 90% от потребленной, поэтому к другому трофическому уровню перейдет 10% энергии. Это правило 10%.

Цепь питания имеет ограниченное число уровней, обычно 4-5. Пройдя через них вся энергия оказывается рассеянной.

С энергетической точки зрения потреблять животную продукцию, особенно высоких уровней цепей питания, нецелесообразно – большое рассеивание энергии. Особенно велики потери энергии при переходе от растений к травоядным животным.

Цепь питания: мальчик 48 кг.

телята 4,5 теленка

люцерна 4 га (8211 кг)

Если бы мальчик весом 48 кг, питался бы только телятиной, то за год ему потребовалось для обеспечения жизнедеятельности 4,5 теленка, для питания которых нужен урожай люцерны с площади 4 га, весом 8211 кг. Такова энергетическая цепь животной пищи.

Как можно прокормить увеличивающееся население планеты?

Надо, чтобы в рационе людей больше было растительной пищи. Вегетарианство энергетически выгодно. Если все 6 млрд. будут потреблять 80-100 кг мяса в год на одного человека, то планета не справится. А если все перейдут на растительную пищу, можно будет прокормить еще 2-3 млрд. дополнительно.