2.3. Экологические системы
Термин «экосистема» был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тэнсли. Сторонники системного подхода для обозначения природных комплексов использовали и другие термины: биокосное тело (В. И. Вернадский, 1924), биогеоценоз (В. Н. Сукачев, 1942), холон (А. Косглер, 1969) и др. Только в конце ХХ века, когда была разработана общая теория систем, утверждается термин «экосистема».
Популяции в экосистемах объединяются в сообщество организмов - биоценоз.
Рис. 2.10. Экосистема
Биоценоз - это сообщество всех организмов экосистемы, которые живут в определенном пространстве абиотической среды - биотопе. Биоценоз и биотоп функционируют как единое целое, образуя экосистему (рис. 2.10).
Экосистема - это надорганизменная биосистема, в которой биотический компонент представлен биоценозом, а абиотический – биотопом.
Живые и неживые компоненты экосистем так тесно переплетены друг с другом в единый комплекс, что разделить их крайне трудно. Большая часть входящих в состав живых организмов химических элементов и органических соединений, называемых биогенными веществами, встречается как внутри, так и вне живых организмов и образует постоянный поток между живым и неживым. В то же время некоторые вещества могут принадлежать только одному из этих состояний. Например, АТФ-азы (аденозинтрифосфатазы) встречаются только в живых клетках, ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и хлорофилл не функционируют вне живых клеток, а гумус никогда не встречается в организмах.
Состав и структура экосистемы формируются потоком энергии и круговоротом веществ.
Часто экосистему выделяют внутри естественных границ. Например, границей озера служит береговая линия, а города - административные границы. Как большие, так и малые экосистемы обычно не имеют четких границ. Переходная зона между двумя экосистемами называется экотоном. Например, экотон между лесом и степью - лесостепь, а между речной и морской водой - эстуарий (устьевая часть реки).
Экотон является местом обитания растений и животных смежных экосистем. Кроме того, в этой зоне могут появляться свои организмы, которые не живут в соседних экосистемах. Поэтому обычно экотон характеризуется большим разнообразием организмов, чем близлежащие территории.
Для решения экологических проблем глобального уровня прежде всего надо изучить экосистемный уровень организации жизни.
Главная цель экологии - узнать, как работают экосистемы биосферы. Обычно ученые изучают это, исследуя природные (леса, пустыни, степи, озера, реки, океаны) или созданные человеком ( сельскохозяйственные поля, поселки, города) экосистемы. Какие организмы обитают в экосистемах? Каким образом они получают необходимые для жизни ресурсы веществ и энергии? Как эти организмы взаимодействуют друг с другом и с окружающей их неживой природой? Какие изменения будут происходить в экосистемах с течением времени? Экология пытается получить ответы на эти и другие вопросы о функционировании экосистем.
Состав экосистемы, как сказано выше, представлен двумя группами компонентов: абиотическими - компонентами неживой природы и биотическими - компонентами живой природы.
Абиотические компоненты - это химические и физические элементы неживой природы:
- неорганические вещества и химические элементы, участвующие в обмене веществ между живой и неживой материей: диоксид углерода, вода, кислород, кальций, магний, калий, натрий, железо, азот, фосфор, сера, хлор и др.;
- органические вещества, связывающие абиотическую и биотическую части экосистем: углеводы, жиры, аминокислоты, белки, и др.;
- поток энергии;
- воздушная, водная или твердая среда обитания;
- климатический режим: солнечный свет, испарение, ветер, температура, влажность, осадки, водные течения и др.
Биотические компоненты состоят из трех функциональных групп организмов (рис. 2.11).
Рис. 2.11. Биотические компоненты экосистем
Первая группа организмов - продуценты (лат. producens - создающий, производящий), или автотрофные организмы (греч. autos - сам, trophe - пища), т. е. «сами создающие пищу».
Продуценты, или автотрофы - это такие организмы, которые в качестве питательного материала используют простые неорганические вещества: воду, углекислый газ, нитраты, фосфаты и др. В качестве источников энергии продуценты используют либо солнечный свет, либо энергию химических реакций. Они подразделяются на фото- и хемоавтотрофы.
Фотоавтотрофы используют энергию солнечного света, а в качестве питательного материала - в основном углекислый газ и воду. Е этой группе организмов относятся все зеленые растения и некоторые бактерии. В процессе жизнедеятельности они синтезируют на свету органические вещества - углеводы, или сахара (СН2О)n, которыми питаются животные:
Хемоавтотрофы используют энергию, выделяющуюся при химических реакциях. Е этой группе принадлежат, например, нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой и затем азотной кислоты:
Химическая энергия (Q), выделенная при этих реакциях, используется бактериями для синтеза органических веществ.
Главная роль в создании органических веществ в биосфере принадлежит зеленым растительным организмам. Роль хемосинтезирующих бактерий в этом процессе относительно невелика. Каждый год фотосинтезирующими организмами на Земле создается около 250 млрд т органического вещества, аккумулирующего солнечную энергию.
Вторая группа организмов - консументы (лат. consume - потреблять), или гетеротрофные организмы (греч. heteros - другой, trophe - пища), т. е. «питающиеся другими».
Консументы, или гетеротрофы, используют в качестве источника и энергии, и питательного материала готовое органическое вещество. Еонсументы осуществляют процесс разложения органических веществ, который протекает с выделением энергии. Их делят на фаготрофы (греч. phagos - пожирающий) и сапротрофы (греч. sapros - гнилой).
Фаготрофы питаются непосредственно растительными или животными организмами. К ним относятся в основном крупные животные - макроконсументы.
Сапротрофы используют для питания органические вещества мертвых остатков. Е этой группе относятся как мелкие организмы (муравьи, черви и др.), так и крупные животные (гиены, шакалы, вороны и др.).
Третья группа организмов - редуценты (лат. reductio - восстановление), или деструкторы (лат. destructio - разрушение).
Редуценты, или деструкторы, - это консументы, участвующие в последней стадии разрушения, т.е. минерализации органических веществ, которые они восстанавливают до неорганических соединений (С02, Н2О и др.). Редуценты очищают природную среду от отходов, они возвращают вещества в круговорот, превращая их в формы, доступные для продуцентов. Таким образом жизненный цикл возобновляется.
К редуцентам относятся главным образом микроскопические организмы (бактерии, грибы и др.) - микроконсументы. Их выделяют в отдельную группу потому, что роль редуцентов в круговороте веществ чрезвычайно велика. Без них в биосфере накапливались бы груды органических остатков, иссякли бы запасы минеральных веществ, необходимых продуцентам, и жизнь в той форме, которую мы знаем, прекратилась бы.
Пространственная структура экосистем обусловлена тем, что процессы образования и разложения органических веществ, т. е. автотрофные и гетеротрофные процессы, обычно разделены в пространстве. Первые активно протекают в верхних слоях, куда проникает солнечный свет, а вторые интенсивнее в нижних слоях экосистем: почвах, донных отложениях. Кроме того, эти процессы разделены во времени, поскольку существует временной разрыв между образованием органических веществ растениями и разложением их животными организмами.
Например, в пологе леса лишь небольшая часть зеленой массы немедленно используется животными, птицами и насекомыми. Большая часть образованного материала (листья, древесина, семена, корневища и др.) не потребляется сразу и переходит в почву · или в донные осадки. Могут пройти недели, месяцы, годы или даже тысячелетия, прежде чем накопленное органическое вещество будет использовано.
Следовательно с точки зрения пространственной структуры, в природных экосистемах можно выделить два яруса:
- верхний, автотрофный ярус, или «авлевый пояс» Земли, который включает растения или их части, содержащие хлорофилл; здесь преобладают фиксация света, использование простых неорганических соединений и синтез органических веществ, т. е. накопление солнечной энергии в сложных фотосинтезируемых веществах;
- нижний, гетеротрофный ярус, или «коричневый пояс» Земли, представлен почвами в наземных экосистемах и донными осадками - в водных. В них преобладают процессы разложения мертвых органических остатков растений и животных.