Весна Сборник тестовых заданий по екологии 2012

31

32

33

34

Г Л А В А 2

ЭКОСИСТЕМЫ

Экология – наука о надорганизменных уровнях организации живой материи; включает в себя соответственно изучение следующих последовательных уровней: организмы, популяции, сообщества, экосистемы и экосфера или биосфера в целом. Основным объектом научного исследования в экологии является экосистема. Основополагающим принципом существования экологической системы является функциональная взаимосвязь различных элементов её биотической структуры и целостность общей структуры обеспечения жизнедеятельности живыми и неживыми компонентами окружающей среды (системность жизни).

Экосистема – это информационно саморазвивающаяся, термодинамически открытая совокупность биотических компонентов (включая все биотическое сообщество) и абиотических источников вещества и энергии, единство и функциональная связь которых в пределах характерного для определенного участка биосферы времени и пространства (включая биосферу в целом) обеспечивает превышение на этом участке внутренних закономерных перемещений вещества, энергии и информации над внешним обменом (в том числе между соседними аналогичными совокупностями) и на основе этого неопределённо долгую саморегуляцию и развитие целого под управляющим воздействием биотических и биогенных составляющих.

По-другому определение указанного основного объекта исследования в экологии как естественнонаучной дисциплине можно сформулировать следующим образом: любая единица, любое единство, включающее все совместно функционирующие организмы (биотическое сообщество) на данном участке и взаимодействующее с физической средой таким образом, что поток энергии создаёт чётко определённые биотические структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями, представляет собой экологическую систему или экосистему.

Таким образом, двумя основными физико-химическими процессами, обеспечивающими существование живого вещества, являются однонаправленный поток солнечной энергии и круговорот важней-

35

ших химических элементов между живыми и неживыми компонентами окружающей среды.

Жизнь может существовать только в процессе движения через живое тело потока веществ, энергии и информации. Прекращение движения в этом потоке прекращает жизнь. Жизнь развивается в результате постоянного обмена веществом и информацией на базе потока энергии в совокупном единстве среды и населяющих её организмов. Постоянное существование организмов в любом ограниченном пространстве возможно только в экологических системах, внутри которых отходы жизнедеятельности одних видов организмов утилизируются другими видами.

2.1. Внутреннее развитие и иерархия

Концепция трофических цепей и трофических уровней

Отражением иерархических структур живых организмов в экосистеме, выстраиваемых потоками вещества и энергии, являются трофические цепи. Трофические или пищевые цепи – это путь однонаправленного потока малой части высокоэффективной солнечной энергии (0,01–1,0 %), поглощаемой в процессе фотосинтеза, через живые организмы экосистемы в окружающую среду в виде низкоэффективной тепловой энергии, и движение питательных веществ от продуцентов к консументам и редуцентам с возвращением обратно к продуцентам.

К основным биотическим компонентам экосистемы относятся: продуценты (автотрофы – «самостоятельно питающиеся») – ор-

ганизмы, способные самостоятельно из неорганических компонент окружающей среды с помощью потоков солнечной (фотосинтез) или других источников (хемосинтез) энергии синтезировать органические соединения. Основная функция продуцентов в биосфере – синтез живой органики. Поэтому продуценты занимают первый трофический уровень в трофической цепи экосистемы. Подавляющее большинство органики (> 99 %) генерируется в результате фотосинтеза зелёных растений. Следовательно, основной тип организмовпродуцентов – растения, представители зелёного пояса Земли (растительный мир биосферы);

консументы (гетеротрофы – «питающиеся другими») – организмы, питающиеся другими синтезированными организмами, орга-

36

ническими соединениями. Основной функцией консументов в экосистеме являются поглощение и преобразование органики. В зависимости от выполняемых функций они делятся на консументов различного порядка и занимают трофические уровни со второго и далее. Основной тип организмов-консументов – представители животного мира (животный мир биосферы);

консументы I-го порядка (травоядные, растительноядные, фитофаги и т.д.) – организмы животного мира, питающиеся растительной пищей, продуцентами. Занимают второй трофический уровень;

консументы II-го порядка и т.д. (плотоядные, зоофаги и т.д.) –

организмы животного мира, питающиеся другими представителями животного мира. Консументы II-го порядка – хищники, они занимают третий трофический уровень; консументы III-го порядка – высшие хищники, они занимают следующий трофический уровень и т.д; редуценты – организмы, совершающие процесс, обратный функциям продуцентов, они разлагают органические соединения до неорганических и возвращают эти неорганические соединения в окружающую среду. Основная функция редуцентов – разложение и утилизация органики. Основной тип организмов-редуцентов – микроорганизмы, бактерии и грибы, представители коричневого пояса планеты (мир микроорганизмов биосферы). С одной стороны, они являются последним, завершающим уровнем в цепи передачи и трансформации энергии и питательных веществ. С другой стороны,

образуют свою собственную, детритную цепочку жизни. Трофические цепи, в которых организмы питаются друг от друга

живой органикой, называются пастбищными трофическими цепями. Трофические цепи, начинающиеся с поедания мёртвой органики или отходов жизнедеятельности других организмов, называются детритными или цепями разложения.

Врезультате наиболее правильно представлять трофические цепи

ввиде двухуровневой или двухканальной диаграммы: пастбищной трофической цепи и детритной трофической цепи. При этом эволюционно биосфера устроена таким образом, что основная доля чистой первичной продукции метаболизма растений идёт именно по детритной цепочке. В основных естественных экосистемах суши и океана до 90 % чистой первичной продукции продуцентов (в энергетических единицах) поглощается миром микроорганизмов.

37

Трофический уровень не является местообитанием одного вида. На одном и том же уровне могут находиться представители огромного количества видов. В свою очередь особи одной популяции могут принимать долевое участие в распределении потоков вещества и энергии на разном количестве уровней. Ярким примером последнего является человек, который по определению относится к эврифагам (широко питающимся) и располагается на нескольких уровнях (со второго и выше).

Сукцессия. Эволюция экосистем во времени называется сукцессией (преемственностью). Она происходит от начальных, менее устойчивых молодых стадий экосистем к заключительному, наиболее устойчивому равновесному состоянию, получившему название климакса (климаксное сообщество). На этой стадии сообщество приходит в равновесие со своей средой обитания. Первичная сукцессия – сукцессия на изначально лишённых жизни местах, и вторичная – развивается на месте сформировавшихся экосистем после их нарушения в результате эрозии, вулканических извержений, пожаров, засухи и т.п.

Типы экосистем

Первая классификация, градация встречающихся биотических систем производится на экосистемы суши и гидросферы. Общая структура трофических цепей и функции водных и наземных экосистем в принципе сходны, но видовой состав и размеры трофических компонент различны. И наиболее резкое различие наблюдается в размерах, видовом составе и интенсивности метаболизма продуцентов двух этих важнейших сфер жизни.

Вид растительности является определяющим и в градации наземных экосистем, определяя три их основных типа: пустынные, травянистые и лесные. Решающим фактором, определяющим классификацию экосистем гидросферы, является солёность воды. По степени солёности водные экосистемы подразделяются на два больших класса: морские или океанические и пресноводные.

Экосистемы суши

1.Тундра (выделяют арктическую тундру и альпийскую, горную).

2.Тайга – вечнозелёные хвойные леса.

3.Листопадный лес умеренной зоны.

4.Степь умеренной зоны.

38

5.Тропическая саванна.

6.Пустыня.

7.Вечнозелёный тропический дождевой лес.

8.Горы.

Водные экосистемы

Пресноводные:

1.Стоячие воды (озёра, пруды и т.д.).

2.Текучие воды (реки, ручьи и т.д.).

3.Заболоченные угодья (болота, болотистые леса и др.).

Морские:

1.Открытый океан.

2.Воды континентального шельфа (прибрежные воды).

3.Районы апвеллинга (наличие гидроклина в океане между верхними тёплыми слоями и нижними холодными).

4.Эстуарии (прибрежные бухты, проливы, устья рек, районы перемешивания морской, солёной и пресной воды).

Биомассой живого вещества называют совокупность живых организмов в момент наблюдения, а продуктивностью – количество биомассы, произведённой в единицу времени. Единицей усреднения по времени в экологии является, как правило, год. Подавляющая часть биомассы живого вещества (~99 %) сосредоточена в продуцентах экосистем суши, в растительном поясе наземных экосистем.

Пустыня – группа биомов, распространённых в областях с крайне засушливым климатом; характеризуется сильно разрежённым и обеднённым растительным покровом. Годовая сумма осадков не превышает 200 мм (в аридных районах менее 50 мм) при испаряемости, превышающей её в 7–10 раз. Пустыни покрывают одну третью часть поверхности суши Земли. Область широкого распространения ксерофильной и суккулентной растительности, которая покрывает площади в 10–20 %, до 75 % биомассы находится в почве.

Из-за возросшего воздействия человека на пустыни и применения несовершенных методов землепользования их хрупкие экосистемы быстро разрушаются. Их площади ежегодно расширяются на 50– 70 тыс. км2 и главным образом под влиянием антропогенных факторов (чрезмерной пастбищной нагрузки, разрушения почвы и др.), а также под воздействием ветровой и водной эрозии.

Для наглядности отражения распределения соответственно численности, биомассы и энергии по различным уровням трофической

39

цепи в экосистеме используют представление этих величин в виде экологических пирамид численности, биомассы и энергии. В отличие от пирамид численности и биомассы пирамида энергии всегда правильная, т.е. на каждый следующий трофический уровень энергии переходит меньше, чем её было на предыдущем уровне.

Типы взаимодействий между популяциями

Теоретически взаимодействие популяций двух видов можно выразить в виде следующих комбинаций символов: 00, --, ++, +0, -0, +-.

При этом (0) означает, что существенное взаимодействие между популяциями отсутствует; (+) – благоприятное действие на рост, выживание или другие характеристики популяции; (-) – ингибирующее действие на рост или другие характеристики популяции. Выделяют 9 типов наиболее важных взаимодействий между видами:

нейтрализм (00) – ассоциация двух видов популяций не сказывается ни на одном из них;

взаимное конкурентное подавление (--) – обе популяции взаимно подавляют друг друга;

конкуренция из-за ресурсов (--) – каждая популяция небла-

гоприятно воздействует на другую при недостатке пищевых ресурсов;

аменсализм (-0) – одна популяция подавляет другую, но сама при этом не испытывает отрицательного влияния;

паразитизм (+-) – популяция паразита наносит вред популяции хозяина;

хищничество (+-) – одна популяция неблагоприятно воздействует на другую в результате прямого нападения, но зависит от другой;

комменсализм (+0) – одна популяция извлекает пользу от объединения с другой, а другой популяции это объединение безразлично;

протокооперация (+ +) – обе популяции получают пользу от объединения; мутуализм (симбиоз) (+ +) – связь благоприятна для роста и

выживания отдельных популяций, причём в естественных условиях ни одна из них не может существовать без другой.

40