4. Экосистема. Основные компоненты и свойства

Окружающий нас мир живых организмов биосферы представляет собой сочетание различных биологических систем разной структурной упорядоченности и разного организационного положения.

Экосистема - основная функциональная единица в экологии. Термин "экосистема" впервые был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тэнсли. Экологическая система - сообщество взаимосвязанных организмов разных видов (биоценоз) со средой своего обитания (неживой, косной природой).

В совокупности экосистему можно представить как единое целое, в котором биогенные вещества из, абиотического компонента включаются в биотический и обратно, то есть происходит постоянный круговорот веществ с участием живого (биотического) и неживого (абиотического) компонентов.

В отечественной литературе широко применяется термин биогеоценоз, предложенный в 1940 году В.Н. Сукачевым. Биогеоценоз - эволюционно сложившаяся, относительно пространственно ограниченная, внутренне однородная природная система функционально взаимосвязанных живых организмов и окружающей их косной среды. Биогеоценоз характеризуется определенным энергетическим состоянием, типом и скоростью обмена веществом и информацией. Совокупность организмов называют биотой экосистемы. Пути взаимодействия разных категорий организмов - это ее биотическая структура.

Экосистемы состоят из живого и неживого компонентов, называемых соответственно биотическим и абиотическим. Биотический компонент по типу питания подразделяют на автотрофные и гетеротрофные организмы. Автотрофы синтезируют необходимые им органические вещества из неорганических. По источнику энергии для синтеза они разделяются на два типа: фотоавтотрофы и хемоавтотрофы.

Фотоавтотрофы для синтеза органических веществ используют солнечную энергию. Это зеленые растения, имеющие хлорофилл (и другие пигменты) и усваивающие солнечный свет. Процесс, при котором происходит его усвоение, называется фотосинтезом.

Хемоавтотрофы для синтеза органических веществ используют химическую энергию. Это серобактерии и железобактерии, получающие энергию при окислении соединений железа и серы.

Гетеротрофы используют органические вещества, которые синтезированы автотрофами, и вместе с этими веществами получают энергию. Гетеротрофы, таким образом, зависят в своем существовании от автотрофов и понимание этой зависимости необходимо для понимания экосистем. Гетеротрофами являются хищники, паразиты. К гетеротрофным организмам относится также группа сапрофитов, которые используют для питания органические соединения мертвых тел или выделения животных. Участвуя в минерализации органических соединений, сапрофиты составляют важное звено в биологическом круговороте. Сапрофитами являются грибы, бактерии, среди животных − некоторые насекомые (жуки-навозники), дождевые черви, некоторые млекопитающие (гиены) и птицы (грифы).

Неживой, или абиотический, компонент экосистемы в основном включает, во-первых, почву или воду, во-вторых, климат.

Глоссарий: экоситема, биотоп, экотоп, ландшафт, адаптация, экологическая ниша, эмерджентность, гомеостаз, сукцессия.

Задание 1. Определите понятия глоссария, перечисленные выше, используя доступные информационные ресурсы.

1. Экосистема – единство живых организмов (биоценоз) и среды их обитания (биотоп), связанных обменом веществ и энергии.

2. Биотоп – участок среды с однородными условиями, заселённый определённым сообществом организмов (например, лесная поляна, озеро).

3. Экотоп – часть биотопа, включающая только абиотические факторы (климат, почва, вода), без учёта живых организмов.

4. Ландшафт – природный территориальный комплекс с устойчивым взаимодействием рельефа, климата, почв, растительности и животного мира.

5. Адаптация – эволюционно выработанные признаки организмов, повышающие их выживаемость в конкретных условиях среды.

6. Экологическая ниша – роль вида в экосистеме, включая его потребности в ресурсах, место в пищевой цепи и взаимодействие с другими видами.

7. Эмерджентность – появление у системы (например, экосистемы) новых свойств, которых нет у её отдельных компонентов.

8. Гомеостаз – способность экосистемы поддерживать динамическое равновесие за счёт саморегуляции.

9. Сукцессия – последовательная смена экосистем на определённой территории под влиянием внешних или внутренних факторов.

Задание 2. Какая из приведённых ниже пищевых цепей составлена правильно: 1) гадюка → лягушка → комар; 2) комар → лягушка → гадюка; 3) лягушка → комар → гадюка.

Задание 3. Составьте свои примеры пищевых цепей для экосистемы а) луга; б) тайги; в) озера. Укажите, кто в ваших примерах является продуцентами, консументами.

Луг

Клевер (продуцент) → Кузнечик (консумент I порядка) → Лягушка (консумент II порядка) → Уж (консумент III порядка)

Тайга

Ель (продуцент) → Лось (консумент I порядка) → Волк (консумент II порядка)

Озеро

Фитопланктон (продуцент) → Дафния (консумент I порядка) → Плотва (консумент II порядка) → Щука (консумент III порядка)

Задание 4. Сколько звеньев может быть в пищевых цепях и от чего зависит их число?

Типичное число звеньев – от 2 до 5, редко до 6.

Факторы, влияющие на длину цепей:

• Продуктивность экосистемы: В богатых (тропики, коралловые рифы) цепи длиннее, чем в бедных (тундра, пустыня).

• Размер организмов: Мелкие виды (насекомые, планктон) позволяют создать больше звеньев, чем крупные (слоны, киты).

• Стабильность среды: В устойчивых экосистемах (леса, океаны) цепи длиннее, чем в изменчивых (полярные регионы).

Задание 5. Используя знания по зоологии позвоночных, общей биологии о растениях и животных и их роли в природе, а также информацию их словарей и учебников, выясните сущность приведенных в таблице терминов и заполните таблицу.

Таблица - Компоненты биотической структуры экосистемы

Категории организмов	Характерные особенности	Примеры организмов
Продуценты	Автотрофность; Источник энергии: Фотосинтез  Хемосинтез Основа пищевых цепей Выделяют кислород (кроме хемосинтетиков) Высокая биомасса	Трава луговая Фитопланктон Хемосинтезирующие бактерии
Консументы 1 порядка	Гетеротрофность Растительноядные (фитофаги) Первое звено среди консументов Высокая численность Роль в пищевых цепях – связывают продуцентов и хищников, регулируют рост растений.	Кузнечик Лось  Зоопланктон (дафния)
Консументы 2 порядка	Хищники или паразиты Плотоядные (зоофаги) Второе звено среди гетеротрофов Регуляторы численности Меньшая численность, чем у консументов I порядка	Лягушка Синица Окунь
Консументы 3 порядка	Хищники высшего уровня Вершина пищевой цепи Крупные размеры Низкая численность Регуляторы экосистем	Орлан-белохвост Волк Щука
Детритофаги	Питание детритом Санитарная роль Подготовка органики для редуцентов Широкое распространение  Не являются хищниками или паразитами	Дождевой червь Мокрица Личинка мясной мухи
Редуценты	Завершают круговорот веществ  Микроскопические или макроскопические Не участвуют напрямую в пищевых цепях Универсальность  Медленный процесс разложения	Плесневые грибы  Сапротрофные нематоды Анаэробные бактерии

Задание 6. Укажите основные свойства экосистемы: а) способность противостоять внешним воздействиям; б) способность производить биологическую продукцию; в) способность осуществлять круговорот веществ; г) эмерждентность; д) все вышеперечисленное.

Задание 7. В экосистеме продуцентами не могут быть: а) животные и грибы; б) водоросли и растения; в) бактерии, грибы и травы; г) некоторые бактерии, водоросли и растения.

Задание 8. Среди перечисленных экосистем естественными являются: а) лес; б) парк; в) поле гречихи; г) болото; д) пруд.

Задание 9. Какая из предложенных последовательностей правильно показывает передачу энергии в пищевой цепи: а) змея → мышь → дождевой червь → листовой опад → кустарник; б) листовой опад → дождевой червь → кустарник → мышь → змея; в) кустарник → листовой опад → дождевой червь → мышь → змея; г) кустарник → мышь →дождевой червь → листовой опад → змея.

Ни один из предложенных вариантов не является полностью верным

1. а) змея → мышь → дождевой червь → листовой опад → кустарник

   • Ошибка: Направление цепи обратное (хищник не может быть первым звеном).

   • Правильный порядок: Энергия передаётся от продуцентов к консументам, а не наоборот.

2. б) листовой опад → дождевой червь → кустарник → мышь → змея

   • Ошибка: Кустарник (продуцент) не может быть консументом и питаться червями.

3. в) кустарник → листовой опад → дождевой червь → мышь → змея

   • Ошибка: Листовой опад – это мёртвая органика, а не живой организм. Дождевой червь (детритофаг) должен следовать после опада, но не после живого кустарника.

4. г) кустарник → мышь → дождевой червь → листовой опад → змея

   • Ошибка: Мышь не ест кустарник целиком (обычно питается семенами, плодами), а червь не ест мышей.

Контрольные вопросы.

1. Что такое экологическая система? Какие биосистемы изучает экология?

Экологическая система (экосистема) — это совокупность живых организмов (биоценоз) и их среды обитания (биотоп), взаимодействующих как единое целое. Экология изучает различные биосистемы, такие как леса, озёра, океаны, пустыни и агроэкосистемы, анализируя связи между организмами и их окружением. Также исследуются антропогенные системы, где важную роль играет влияние человека.

2. Что такое продуктивность экосистемы?

Продуктивность экосистемы — это скорость образования органического вещества в процессе фотосинтеза (первичная продуктивность) или его накопления консументами (вторичная продуктивность). Она измеряется количеством биомассы, производимой за единицу времени на единицу площади (например, г/м²/год). Различают валовую продуктивность (общее количество созданной энергии) и чистую продуктивность (оставшуюся после затрат на дыхание). Продуктивность зависит от условий среды, доступности ресурсов и видового состава экосистемы.

3. Консументы и их роль в экосистеме.

Консументы — это гетеротрофные организмы, которые потребляют готовые органические вещества, питаясь другими живыми организмами или их остатками. Они делятся на первичных (травоядные), вторичных (хищники) и паразитов. Их роль заключается в передаче энергии по пищевой цепи, регуляции численности других организмов и поддержании баланса в экосистеме. Без консументов нарушился бы круговорот веществ и поток энергии в природе.

4. Пищевые цепи и трофические уровни.

Пищевая цепь — это последовательность организмов, в которой каждый предыдущий служит пищей для следующего, передавая энергию и вещества. Трофические уровни — это звенья пищевой цепи: продуценты (растения), консументы (травоядные, хищники) и редуценты (разлагатели). Каждый уровень характеризуется своей долей энергии, которая уменьшается при переходе на следующий уровень (правило 10%). Пищевые цепи формируют сложные пищевые сети, обеспечивая устойчивость экосистем.

5. Понятие о биоценозе: состав и структура.

Биоценоз — это совокупность живых организмов (растений, животных, микроорганизмов), населяющих определённую территорию и связанных взаимными отношениями.

Состав биоценоза включает:

• фитоценоз (растительные сообщества),

• зооценоз (животные организмы),

• микробоценоз (бактерии, грибы).

Структура подразделяется на:

• видовую (разнообразие и численность видов),

• пространственную (ярусность, мозаичность),

• трофическую (пищевые связи).

Биоценоз формирует устойчивую систему в рамках биотопа (местообитания)

6. Продуценты и их роль в экосистеме.

Продуценты (автотрофы) — это организмы (преимущественно растения, водоросли и цианобактерии), способные синтезировать органические вещества из неорганических с помощью фотосинтеза или хемосинтеза. Они образуют первичную продукцию экосистемы, служа основой для всех пищевых цепей. Благодаря продуцентам в экосистему поступает энергия солнца и формируются ресурсы для консументов и редуцентов. Без них невозможен круговорот веществ и устойчивое функционирование биосферы.

7. Экологические ниши. Пограничный эффект.

Экологическая ниша — это роль вида в экосистеме, включая его питание, среду обитания, взаимодействия и условия существования. Она определяется не только местом (местообитанием), но и функцией (например, хищник, фильтратор).

Пограничный эффект (эффект края) — усиление биоразнообразия на стыке разных экосистем (например, леса и луга) из-за смешения видов и условий. Однако некоторые специализированные виды могут исчезать из-за изменения среды.

8. Редуценты и их роль в экосистеме.

Редуценты (разлагатели) — это организмы (грибы, бактерии, некоторые беспозвоночные), которые разрушают мёртвое органическое вещество, превращая его в простые неорганические соединения (минералы, CO₂, воду). Они завершают круговорот веществ, возвращая элементы в почву и атмосферу для повторного использования продуцентами. Без редуцентов экосистемы были бы переполнены отмершей органикой, а жизненно важные ресурсы оказались бы «законсервированы». Их деятельность поддерживает плодородие почв и баланс биосферы.

9. Экологические пирамиды

Экологические пирамиды — это графическое изображение соотношения между трофическими уровнями в экосистеме.

Основные типы:

Пирамида чисел — показывает количество организмов на каждом уровне.

Пирамида биомассы — отражает общую массу живого вещества.

Пирамида энергии — демонстрирует поток энергии (всегда сужается кверху, так как лишь ~10% энергии передаётся на следующий уровень).

Пирамиды помогают анализировать устойчивость и продуктивность экосистем.