Підручники з Біології / Біологія 9 клас / Шаламов Біологія 9 клас 2017

§ 50. Різноманітність екосистем

Екологія — наука про зв’язки між живим і неживим

У цьому розділі ми ознайомимося з основами екології — науки про взаємодію живих організмів між собою та з середовищем їхнього існування. Термін «екологія» запропонував Ернст Геккель понад 150 років тому, у 1866 році. Слово «екологія» в перекладі з грецької означає «наука про дім». До речі, у повсякденному мовленні це поняття часто вживають у значенні «навколишнє середовище», «довкілля» чи навіть «чистота навколишнього середовища», хоча це зовсім неправильно. Екологія — це наука, а навколишнє середовище — один з об’єктів її вивчення.

Екологія розглядає сам організм як частину складнішої системи взаємин. Річ у тім, що жодна жива істота не мешкає у вакуумі. Живі організми конкурують між собою за ресурси та життєвий простір, співпрацюють, слугують один одному місцем проживання, харчуються один одним і намагаються не бути з’їденими, тобто пов’язані між собою та з довкіллям тисячами невидимих «ниточок». Саме ці зв’язки і є предметом вивчення екології.

Екологіяякнаука,безперебільшення,маєвкрайважливепрактичнезначення для всього людства. Наприклад, незнання базових екологічних закономірностей призвело до смерті 15 млн людей у Китаї протягом 1959–1961 років. Головною причиною стало, хай як це дивно, винищення звичайних горобців. Керівництво Китаю визнало горобців шкідниками за те, що вони їдять зерно. Наслідком такої необдуманої та жорстокої акції було винищення мільярдів птахів, неконтрольоване розмноження шкідників і — страшний голод. Відтак виникла необхідність відновлювати знищену популяцію горобців шляхом закупівлі живих птахів у Радянському Союзі та Канаді. Подібні катастрофи, нехай і не в такому величезному масштабі, відбувалися й продовжують відбуватися постійно, коли людина намагається бездумно втручатися у природні процеси, недооцінюючи їхню складність і багатоманітність.

Екосистема є важливим поняттям екології

Ключовим поняттям екології є поняття екосистеми, уведене британським екологом Артуром Тенслі 1935 року. Екосистема — це сукупність живих організмів і середовища їхнього проживання, що об’єднані системою фізичних, хімічних і біологічнихзв’язків.Екосистемаскладаєтьсяздвохкомпонентів:біотичного —тобто сукупності живих організмів (угруповання) та абіотичного — тобто середовища їхнього проживання. Прикладами екосистем є тропічний ліс і березовий гай, лісове озеро та кораловий риф, пшеничне поле й оаза в пустелі. Біотичним компонентом цих екосистем є всі тварини, рослини, гриби та мікроорганізми, що проживають на відповідних територіях, а до абіотичних компонентів можна віднести ґрунт, воду, каміння, пісок, повітря й навіть сонячне світло.

Наземні екосистеми різноманітні й не схожі між собою

Усі екосистеми поділяють на дві групи — водні й наземні. Прикладами типових наземних екосистем є екосистеми тропічних лісів, лісів помірної зони, тайги та тундри, а також пустель і трав’янистих угруповань.

272

Рис. 50.1. Наземні екосистеми А. Тропічний ліс. Б. Широколистяний ліс помірної зони. В. Савана. Г. Пустеля.

Тропічні ліси (рис. 50.1, А) розташовані переважно в екваторіальних широтах і характеризуються високою середньою температурою й вологістю. Через сприятливі кліматичні умови рослинний і тваринний світ тропічних лісів надзвичайно різноманітний: тут мешкає більше половини всіх видів живих істот нашої планети. Екосистеми тропічних лісів характеризуються великою щільністю видів. Тропічні ліси мають дуже важливе екологічне значення для біосфери, але їхня площа швидко скорочується через хижацьке вирубування людьми.

Ліси помірної зони — це один із найтиповіших видів екосистем в Україні. Основу рослинності тут становлять хвойні та листяні дерева (рис. 50.1, Б). У лісах помірної зони зазвичай добре виражена так звана ярусність: поряд із високими дорослими деревами тут є й молоді, чагарниковий ярус (підлісок) і трав’янистий ярус. Тваринний і рослинний світ лісів помірної зони не такий різноманітний, як у тропічних лісах, але багатший, ніж у тайзі. Браконьєрське вирубування лісу без його подальшого відновлення призводить до ерозії ґрунту та знесення його родючого шару, до порушення водного балансу, а отже, засух і повеней. Вирубування лісів у гірських місцевостях, таких як Карпати, підвищує ризик виникнення селевих потоків.

Трав’янисті угруповання. Поряд із лісами помірної зони типовими для України є й трав’янисті угруповання (рис. 50.1, В). Це екосистеми, у яких рослинний компонент представлений переважно злаками та іншими трав’янистими рослинами. В Україні типовими трав’янистими угрупованнями є луки й степи.Трав’янисті угруповання є місцем проживання великої кількості ссавців, птахів, рептилій, комах та інших тварин. Природні трав’янисті угруповання мають важливе господарське значення, оскільки є джерелом корму для домашніх травоїдних тварин.

У пустелях рослинність розріджена й частину року може перебувати в неактивному стані, але все ж є (рис. 50.1, Г). Найчастіше це безлисті чагарники та напівчагарники (саксаул, акація, полин), іноді трави та сукуленти1 (кактуси, алое). Тваринний світ пустель дуже своєрідний і добре пристосований до життя в умовах браку води, різких перепадів температур і сильної сонячної радіації. Із ссавців тут трапляються здебільшого гризуни й копитні, із рептилій — змії та ящірки, а також є різноманітні комахи й павукоподібні.

Агроценози. Крім природних екосистем, є різноманітні штучні екосистеми, створені та підтримувані людиною: поля, грядки, клумби, сади. Агроценози відрізняються від природних екосистем за багатьма показниками. Видове різноманіття

1 Сукулентами називають рослини, що у своїх тканинах запасають воду в значній кількості.

273

Рис. 50.2. Водні екосистеми

А. Відкрите море. Б. Кораловий риф. В. Озеро. Г. Гірська річка.

вагроценозахнабагатоменше,ніжуприроднихекосистемах,усі«сторонні»видивважають бур’янами чи шкідниками і знищують. Через це агроценози дуже нестабільні: без втручання людини вони не здатні підтримувати свою стійкість і видовий склад. Підтримкаагроценозіввимагаєпостійногопритокупоживнихречовинтаенергіїззовні: оскільки людина постійно вилучає біомасу живих організмів з екосистеми, відтік речовин потрібно компенсувати, наприклад, за допомогою добрив. Агроценози на сьогодні займають близько 10 % поверхні суші та забезпечують людство 90 % всієї їжі, виробляючи близько 2,5 млрд тонн сільськогосподарських продуктів на рік.

Водні екосистеми не менш різноманітні, ніж наземні

Вода займає понад 70 % поверхні нашої планети, і водні екосистеми так само різноманітні, як і наземні. Їх можна поділити на морські та прісноводні. У свою чергу, серед прісноводних екосистем розрізняють екосистеми водойм зі стоячою та текучою водою.

Морські екосистеми. Моря й океани займають більшу частину поверхні Землі та містять 97 % усієї води на нашій планеті. Для порівняння: на прісноводні системи припадає лише 0,009 % усієї води, а решта води — у льодовиках у непридатній для користування живими організмами формі.

Морські екосистеми (рис. 50.2, А) мають особливе значення для всієї нашої планети як основне джерело кисню. У таких екосистемах, як, наприклад, тропічні ліси, рослини виділяють величезну кількість кисню і поглинають при цьому багато вуглекислого газу. Але в процесі гниття відмерлих рослин відбувається зворотний процес: бактерії гниття та гриби споживають кисень і виділяють вуглекислий газ назад в атмосферу. У результаті сумарний баланс залишається незмінним. На відміну від більшості наземних екосистем, морські екосистеми поглинають набагато менше кисню, ніж виділяють. Пов’язано це з тим, що відмерлі морські організми опускаються на дно, де через низькі температурипроцесигниття відбуваються дужеповільно. Таким чином, у відмерлих організмах у вигляді органічних речовин зв’язується маса вуглекислого газу, запобігаючи розвитку парникового ефекту й сприяючи створенню вільного кисню на нашій планеті. Коралові рифи є одним із різновидів морських екосистем (рис. 50.2, Б). Коралові рифи за різноманіттям видів можна порівняти з тропічними лісами. Подібно до екосистем тропічних лісів на суші, екосистемам коралових рифів властива висока продуктивність. Причиною цього є те, що вода поблизу коралових рифів добре прогрівається, забезпечуючи сприятливі умови для розвитку організмів, а самі рифи утворюють численні укриття для морських тварин.

274

§ 51. Харчові зв’язки

Узаємини «хижак — жертва» нагадують «перегони озброєнь»

У попередньому параграфі ми почали ознайомлення з основами екології — науки про взаємодію живих організмів між собою та з довкіллям. Живі істоти можуть взаємодіяти між собою найрізноманітнішими способами, але найтиповішим є поїдання одних організмів іншими: травоїдні тварини поїдають рослини, хижаки поїдають травоїдних тварин або інших хижаків.

Розгляньмо просту систему, у якій є один вид, що харчується іншим. Виживання хижака безпосередньо залежить від того, наскільки ефективно він полює на жертву. Водночас жертва для збереження себе та свого виду повинна мати можливість уникнути поїдання. Такий «конфлікт інтересів» веде до своєрідних «перегонів озброєнь»: хижаки удосконалюють методи полювання, а жертви — способи захисту. Якщо один із видів відстане в цих перегонах, йому загрожує вимирання.

Це дуже нагадує ситуацію, описану Льюїсом Керроллом в «Алісі в Задзер-

каллі»: «— У нас, — пояснила Аліса, ледь переводячи дух, — коли отак довго мчиш, мов ошпарений, то зазвичай опиняєшся в іншому місці. — Яка повільна країна! — зауважила Королева. — А в нас, як бачиш, біжиш мов ошпарений, аби тільки втриматися на місці». Подібно до Чорної Королеви, заради того, щоб вижити, і хижакам, і жертвам треба постійно еволюціонувати, відповідаючи на еволюційні пристосування опонентів. Це явище іноді ще образно називають принципом Чорної Королеви, а взаємозалежний паралельний розвиток видів, які пов’язані в одній екосистемі, — коеволюцією.

Насправді, цей принцип стосується не лише хижих тварин, а й загалом усіх організмів, що харчуються один іншим, зокрема й рослиноїдних видів. Дуже яскраво цю проблему розкрив у казці «Маленький принц» Антуан де Сент-Екзюпері: «Мільйони років у квітів ростуть колючки. I мільйони років баранці все ж їдять квіти. То хіба це не поважна річ — зрозуміти, чому вони так стараються випустити колючки,

які їм нічого не дають?» Тепер, на підставі отриманих знань, ми можемо відповісти Маленькому принцові, що, відповідно до принципу Чорної Королеви, рослини та рослиноїдні тварини (фітофаги) в екосистемі коеволюціонують — рослини виробляють пристосування для захисту від фітофагів (наприклад, колючки), а фітофаги — способи обійти захисні механізми рослин.

Речовини по екосистемі передаються трофічними ланцюгами

Ми з’ясували, що в будь-якій екосистемі існують складні наявні взаємодії: організми одних видів використовують організми інших видів як джерело їжі. Зайці їдять траву, а вовки їдять зайців; гусінь їсть листя, синиці їдять гусінь, а яструби їдять синиць; окунь харчується планктоном, щука їсть окуня, а людина їсть щуку. Подібні послідовності «хто кого їсть» в екосистемах утворюють так звані харчові,

або трофічні, ланцюги.

Кожен учасник харчового ланцюга посідає свій трофічний рівень. На самому початку трофічного ланцюга перебувають організми, які нікого самі не поїдають. Вони, навпаки, створюють основу харчування для всієї екосистеми. Це автотрофні організми, які, як правило, здатні до фотосинтезу, тобто зелені рослини та водорості. Вони належать до трофічного рівня продуцентів. Ними харчуються рослиноїдні

276

зїх решток, перші називають пасовищними харчовимиланцюгами,адругі—детритни-

ми (рис. 51.1). Детритофагів не варто плутати

зредуцентами — сапротрофними грибами й бактеріями, які розкладають мертву органіку до найпростіших неорганічних сполук, виводячи її в такий спосіб із ланцюгів живлення в екосистемі.

Спробуйте тепер самі вигадати кілька прикладів трофічних ланцюгів. Ви переконаєтеся, що навіть за найбагатшої фантазії практично неможливо скласти харчовий ланцюг, який мав би більше 5-ти ланок. Це не випадковість, а одна з найважливіших екологічних закономірностей, що науково обґрунтувана з погляду закону збереження енергії. Річ у тім, що в процесі переходу з одного рівня трофічного ланцюга на інший завжди втрачається значна частина енергії — близько 90 %. Це пов’язано, по-перше, із тим, що більшість поглинутої енергії витрачається консументами на власні потреби, а також на пошук, поглинання та перетравлення їжі й у результаті розсіюється у вигляді теплоти. По-друге, такі втрати зумовлені тим, що перетворення енергії в біохімічних процесах ефективне не на 100 %. По-третє, не всі організми одного трофічного рівня поїдаються: деякі вмирають своєю смертю, розкладаютьсядонайпростішихнеорганічнихсполуківиводятьсязтрофічноголанцюга. Від первинних виробників біомаси в екосистемі — зелених рослин — до травоїдних тварин доходить лише 10 % енергії; до наступного рівня — хижаків — 10 % від 10 %, тобто лише 1 % від вихідної кількості енергії. Тому такий ланцюг не можна подовжувати безкінечно: рано чи пізно енергії в екосистемі просто не вистачить для формування наступного трофічного рівня.

Харчові мережі виникають, коли трофічні ланцюги перетинаються

У природі майже не буває випадків, коли організм входить до складу лише одного харчового ланцюга: кожна жива істота пов’язана харчовими зв’язками з безліччю інших видів. Зайців їдять не тільки вовки, а й лиси та яструби; синиці харчуються не тільки комахами, а й насінням і плодами рослин. У результаті сукупність харчових ланцюгів формує складну структуру взаємин —

277

Співвідношення між кількісними характеристиками трофічних рівнів в екосистемах зручно подати графічно, у вигляді пірамід, подібних до зображених на рисунку 51.3, А. Основу екологічної піраміди утворюють продуценти, над ними розташовуються консументи першого порядку, ще вище — другого й так далі. Розмір сходинки піраміди відповідає величині показника, який цікавить еколога, наприклад, чисельності особин чи їхній спільній біомасі.

Згадаймо, що в процесі переходу з одного трофічного рівня на інший значна частина енергії втрачається та розсіюється у вигляді теплоти. Вважають, що на наступний трофічний рівень переноситься близько 10 % енергії, хоча ця цифра досить приблизна. Це означає, що коли зобразити у вигляді піраміди сумарну енергію кожного трофічного рівня, то кожна наступна сходинка матиме приблизно в 10 разів меншу площу, ніж попередня. Точно визначити потенційну енергію всіх живих організмів на практиці неможливо, зате можна обчислити кількість організмів чи оцінити їхню сумарну масу. Екологічні піраміди, що зображують ці величини,

так і називають — піраміди чисельності та піраміди біомаси.

278

Піраміди чисельності та біомаси, попри відносну простоту їх побудови, не завжди зручні для відображення реальної ситуації в екосистемі. По-перше, чисельність організмів на різних трофічних рівнях може неабияк різнитися: спробуйте самі зобразити піраміду чисельності для екосистеми, у якій кит харчується мікроскопічним зоопланктоном! До того ж, піраміда чисельності часто виявляється перевернутою, наприклад, у випадку харчових ланцюгів, що включають паразитів, чи коли листя великих дерев слугує їжею дрібним рослиноїдним комахам. Піраміда біомаси позбавлена цих недоліків, але в деяких випадках також буває перевернутою. Це характерно, наприклад, для багатьох водних екосистем, де великі організми-довгожителі харчуються дрібним фітопланктоном, що швидко розмножується (рис. 51.3. Б). У кожний окремий момент часу біомаса планктону, що є в екосистемі, може виявитися меншою за біомасу верхніх трофічних рівнів, але висока продуктивність фітопланктону робить цю систему стабільною.

Піраміда енергії, якщо вона справді враховує всі компоненти екосистеми, завжди має пірамідальну форму, оскільки енергія на кожному наступному рівні не може взятися нізвідки, зате може незворотно розсіятися у вигляді теплоти.

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1У більшості харчових ланцюгів людина посідає місце

2Прикладом пристосування, що утворилося в результаті коеволюції, може слугувати А однакова форма тіла в дельфінів і риб

Б однакові пристосування для польоту в кажанів і птахів

Вздатність деяких видів метеликів створювати свої ультразвукові сигнали, щоб заплутати кажанів

Г довга шия в жирафа Д довге хутро та пухнастий хвіст у полярної лисиці

3Піраміда біомаси може бути перевернутою, якщо

А на великому хижаку живуть дрібні паразити Б на дереві харчується велика популяція попелиць

В великі консументи-довгожителі харчуються продуцентами, що швидко гинуть Г в екосистемі наявні детритофаги Д це харчовий ланцюг пасовищного типу

4Припустімо, у деякій лісовій екосистемі сумарна біомаса продуцентів становить 1000 тонн. Ґрунтуючись на правилі екологічної піраміди, спільна

біомаса консументів другого порядку в цій екосистемі становить приблизно А 100 000 тонн, оскільки консументів завжди більше, ніж продуцентів

Б1000 тонн, оскільки біомаса всіх трофічних рівнів в екосистемі приблизно однакова

В 10 тонн, оскільки консументів другого рівня приблизно в 100 разів менше, ніж продуцентів

Г100 кг, оскільки на кожний наступний трофічний рівень зазвичай переходить 1 % енергії

Д810 тонн, оскільки на кожний наступний трофічний рівень зазвичай переходить 90 % енергії

279

5 Харчові ланцюги, що починаються з мертвих органічних залишків, називають

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6Наведіть приклади трофічних ланцюгів однієї наземної й однієї морської екосистеми.

7Чому в типовому харчовому ланцюгу не може бути 6 чи 7 ланок?

8Схарактеризуйте два приклади екосистем, що матимуть перевернуті піраміди чисельності.

9У сатиричній казці Фазіля Іскандера «Кролики та удави» описано систему харчових стосунків, у якій удави поїдають кролів, попередньо їх загіпнотизувавши. Одного разу кролі винаходять спосіб урятуватися від гіпнозу, відтак удави втрачають можливість полювати. Запропонуйте два різні сценарії подальшого перебігу подій у такій екосистемі.

10У чому принципова відмінність за типом живлення між продуцентами, консументами та редуцентами? До якого трофічного рівня треба віднести детритофагів, ураховуючи їхній тип живлення?

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11Піраміди енергії мають низку переваг порівняно з пірамідами чисельності та біомаси, проте їх побудова пов’язана з додатковими зусиллями. Які додаткові дані потрібні для побудови пірамід енергії?

12Як було з’ясовано, що між рівнями харчового ланцюга переноситься лише 10 % енергії? Чи можна це підтвердити експериментально?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

13Яке практичне застосування мають екологічні піраміди? Які проблеми та труднощі пов’язані з їх побудовою та застосуванням?

14Чому принцип Чорної Королеви в боротьбі між хазяїном і паразитом краще реалізується в роздільностатевих організмів, ніж у тих, що розмножуються нестатево чи є гермафродитами?

280