Лекции Эк / Экосистемы

Экосистемы, их структура и характеристика.

В результате изучения устричных банок Северного моря у берегов Германии К. Мёбиус (1877) предложил термин “биоценоз”.

БИОЦЕНОЗ (от био... и ...ценоз), биологическая система, представляющая собой совокупность популяций различных видов растений, животных и микроорганизмов, населяющих определенный биотоп. Биоценоз вместе с биотопом образует диалектическое единство экосистемы (или иначе биогеоценоза).

Термин «экосистема» в научную литературу ввел английский ученый Тенсли в 1935 г.

Экосистема – природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, которые связаны между собой вещественным и энергетическим обменом.

Экосистема не имеет территориального ранга. К числу экосистем могут быть отнесены муравейник, овраг, озеро, горный хребет, Тихий океан, Африка, биосфера. Возможно построение иерархии экосистем: внутри крупной экосистемы могут быть выделены экосистемы более низких рангов. К примеру, в черте городской экосистемы выделяются экосистемы населенных территорий, лесопарка, крупных предприятий.

Несколько позднее в 1942 г. академик Сукачев предложил термин биогеоценоз.

Биогеоценоз – взаимообусловленный комплекс живых и неживых компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергии.

А. Тенсли (1935) и В. Н. Сукачев (1940) при обосновании концепции “экосистемы” и “биогеоценоза” включили биоценоз в качестве их фундаментального компонента (наряду с биотопом, или экотопом). В зависимости от местности, отношения к человеческой деятельности, степени насыщенности, полноценности, полночленности, естественности, различают биоценоз суши и воды, естественные, полуискусственные и антропогенные, насыщенные и ненасыщенные, полночленные и неполночленные. Каждый биоценоз, естественный или искусственный (например, агроценоз), обычно имеет более или менее определенный набор видовых популяций. Изучение биоценоза важно для рационального освоения земель и водных пространств.

Ни один вид живых организмов не может существовать только среди себе подобных. Жизнь возможна лишь в сообществах (биоценозах) и в строго определенной совокупности условий, характеризующих место их обитания (биотоп). Биотоп является общим для всех членов сообщества местообитанием. Все члены сообщества так тесно взаимодействуют со средой обитания, что биоценоз трудно рассматривать отдельно от биотопа. Единство биотопа и биоценоза – суть концепции экосистемы, которая является важнейшим теоретическим обобщением и основной концепцией современной экологии.

В начале 40-х гг. ХХ века в экологии возник новый системный подход к исследованиям природных систем. При экосистемном подходе в центр внимания исследователя ставится поток энергии и круговорот вещества между абиотическим и биотическим компонентами экосистемы, установление функциональных связей живых организмов между собой и окружающей средой. Экосистемный подход выдвигает на первый план общность организации всех сообществ, независимо от местообитания и систематического положения входящих в них организмов. В экосистемном подходе находит место концепция саморегуляции (гомеостаза), которая дает понимание того, что нарушение регуляторных механизмов экосистемы может привести к дисбалансу ее компонентов и даже гибели. Экосистемный подход необходим в природопользовании, когда объектом хозяйственного воздействия становится природная экосистема.

Биогеоценоз (экосистема) функционирует как целостная, самовоспроизводящаяся и саморегулирующая система.

Каждый биогеоценоз характеризуется видовым разнообразием, численностью и плотностью популяции каждого вида, биомассой и продуктивностью.

Видовое разнообразие – число видов в данном сообществе. Встречаются бедные и богатые видами сообщества. Видовое разнообразие зависит от возраста сообщества (молодые сообщества беднее, чем зрелые) и от благоприятности основных экологических факторов – температуры, влажности, пищевых ресурсов (биоценозы высоких широт, пустынь и высокогорий бедны видами).

Численность определяется количеством животных или количеством растений на данной территории. Плотность популяции характеризуется числом особей, приходящихся на единицу площади. Например, 800 деревьев на 1 га леса.

Биомасса – это масса организмов определенной группы или сообщества в целом. Биомасса накапливается живыми организмами с определенной скоростью, измеряемой в единицах массы или объема, отнесенных к единице времени. Естественно, что разные экосистемы накапливают вещество с различной скоростью, и это вещество представляет собой продукцию экосистемы, которую соотносят не только со временем, но и с единицей площади. Например, средняя скорость накопления древесины в лесах России составляет 1,5-2,0 м³/(га * год), а урожайность кукурузы в черноземной зоне достигает 300-400 ц/(га * год). Самой высокой биомассой и продуктивностью обладают тропические дождевые леса, самой низкой – пустыни и тундры. Таким образом, биологическая продукция (продуктивность) экосистемы – это биомасса, производимая на единице площади или за единицу времени и способность биологических систем поддерживать темп воспроизводства этой биомассы.

Понятно, что чем больше скорость накопления биомассы экосистемой, тем это выгоднее для человека. Так повышение продуктивности сельскохозяйственных экосистем важная задача общества. Но ее решение основано на законах экологии, в частности на законе минимума, а также на правиле экологической ниши. (Примеры о низком плодородии почвы, недостатке влаги, кукурузе в нашем климате).

Различают первичную и вторичную продукцию сообщества.

Первичная продукция (продуктивность) – биомасса, созданная за единицу времени на единице площади зелеными растениями. Вторичная продукция (продуктивность) – биомасса, образованная не фотосинтезирующими организмами за единицу времени на единице поверхности.

И так, нам известно, что растения способны создавать органическое вещество из неорганического и аккумулировать в преобразованном виде энергию солнца. Органическое вещество создается не только из углекислого газа и воды, но и многих других элементов (азота, серы, фосфора и т.д.). В процессе фотосинтеза растениями используется всего около 1% приходящего от солнца потока энергии, тем не менее, этой энергии достаточно для того, чтобы ежегодно экосистемы земли создавали миллиарды тонн биомассы. В водных экосистемах основная роль в этих процессах принадлежит фитопланктону.

Фотосинтезирующие организмы создают органическое вещество, которым питаются растительноядные, ими питаются плотоядные и т.д. В конечном итоге растения «кормят» весь остальной живой мир, т.е. солнечная энергия через растения как бы передается всем другим организмам.

Процесс передачи энергии пищи в экосистеме от ее источника растений, происходящий путем поедания одних организмов другими называется пищевой или трофической цепью. Каждое звено цепи называется трофическим уровнем. Трофический уровень – это совокупность организмов, связанных потребляемой пищей. Выделяют следующие трофические уровни:

- продуценты – зеленые растения, которые в процессе фотосинтеза создают органическое вещество первичную биологическую продукции. По способу питания они относятся к автотрофам;

- консументы – организмы питающиеся готовой биологической продукцией. Консументы первого порядка – растительноядные организмы, консументы второго порядка – первичные хищники, питающиеся растительноядными животными, консументы третьего порядка – вторичные хищники, питающиеся плотоядными животными.

- редуценты – разлагают органическое вещество до минерального состояния (бактерии и простейшие грибы). Консументы и редуценты по способу питания относятся к гетеротрофам.

Пример цепей питания: клевершмельмышь ястреб,

клевершмельмышь змея ястреб.

Четко распределяются по трофическим уровням лишь консументы, специализированные только на определенном виде пищи. Есть виды, которые питаются мясом и растительной пищей (медведь) и могут включаться в пищевые цепи на разных уровнях.

Различают два типа пищевых цепей. Пастбищные (или цепи выедания), начинающиеся с живых фотосинтезирующих организмов. Например: травазаяц лисица, фитопланктонзоопланктонокуньщука и др. Детритные (или цепи разложения) – пищевые цепи, начинающиеся с мертвых остатков растений, трупов и экскрементов животных. Например: листовой опаддождевой червьземлеройкалисица и т.д.

Схему вставить

Таким образом, поток энергии, проходящий через экосистему, разбивается как бы на два основных направления, энергия к консументам поступает через живые ткани растений или через запасы мертвого органического вещества. В экосистемах пищевые цепи сложным образом переплетаются и образуют пищевые сети. В состав пищи каждого вида входит обычно не один, а несколько видов, каждый из которых в свою очередь может служить пищей нескольким видам. С одной стороны каждый трофический уровень представлен многими популяциями разных видов, с другой стороны, многие популяции принадлежат сразу к нескольким трофическим уровням.

Любой экосистеме свойственен круговорот веществ и прохождение через нее потока энергии.

В экосистеме органические вещества синтезируются автотрофами из неорганических веществ. Затем они потребляются гетеротрофами. Выделенные в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов (как гетеротрофов, так и автотрофов) органические вещества подвергаются минерализации. Эти неорганические вещества могут быть вновь использованы автотрофами для синтеза органических веществ. Так и осуществляется биологический круговорот веществ.

В то же время, энергия не может циркулировать в пределах экосистемы. Поток энергии (передача энергии), заключенной в пище, в экосистеме осуществляется однонаправлено от автотрофов к гетеротрофам.

Пища, поглощаемая консументом усваивается не полностью – от 10 до 20 % у некоторых растительноядных, до 70 % и более у плотоядных. Энергетические затраты связаны прежде всего с поддержанием метаболических процессов, которые называют тратой на дыхание и оценивают большим количеством углекислого газа, выделенного организмом. Значительно меньшая часть идет на образование тканей и некоторого запаса питательных веществ, т. е. на рост. Остальная часть пищи выделяется в виде экскрементов. Кроме того, значительная часть энергии рассеивается в виде тепла при химических реакциях в организме и, особенно при активной мышечной работе. В конечном итоге вся энергия, использованная на метаболизм, превращается в тепло и рассеивается в окружающей среде.

Таким образом, большая часть энергии при переходе с одного трофического уровня на другой, более высокий, теряется. Приблизительно потери составляют около 90 %: на каждый следующий уровень передается не более 10 % энергии от предыдущего уровня. Так если калорийность продуцента 1000 Дж, то при попадании в тело растительноядного остается 100 Дж, в теле хищника уже 10 Дж, а если этот хищник будет съеден другим, то на его долю останется, лишь 1 Дж, т.е. 0,1 % от калорийности растительной пищи.

Процесс передачи энергии в пищевой цепи подчиняется закону десяти процентов, который звучит следующим образом. От каждого предыдущего по потоку энергии уровня пищевой цепи на каждый последующий уровень переходит в среднем не более 10 % энергии.

Таким образом, пищевые цепи можно представить в виде экологических пирамид, т.е. изобразить трофическую структуру. Различают три основных типа экологических пирамид: пирамида чисел, пирамида биомассы, пирамида продукции.

Пирамида чисел отражает численность организмов на каждом уровне. Количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается.

Рисунок вставить

Пирамида биомассы характеризует массу живого вещества, общий сухой вес, калорийность. Суммарная масса растений превышает массу всех травоядных, а их масса превышает всю биомассу хищников.

Пирамида энергии показывает, что на каждом предыдущем трофическом уровне количество биомассы, создаваемой за единицу времени больше, чем на последующем. Пирамида продукции отражает законы расходования энергии в трофических цепях.

Экосистемы изменяются и развиваются. Изменения в экоситемах могут быть циклическими и поступательными.

Циклические изменения – периодические изменения в биоценозе, при которых биоценоз возвращается в исходное состояние. Суточные циклы связаны с изменением освещенности, температуры, влажности и других экологических факторов в течение суток и наиболее резко выражены в условиях континентального климата. Сезонная цикличность связана с изменением экологических факторов в течение года и наиболее сильно выражена в высоких широтах, где большой контраст зимы и лета. Многолетняя изменчивость связана с климатическими колебаниями. Многолетняя периодичность в изменении численности биоценоза, вызванная резко неравномерным выпадением осадков по годам. С периодическим повторением засух, хорошо иллюстрируется повторением массовых размножений животных, например саранчевых.

Поступательные изменения – изменения в биоценозе, в конечном счете, приводящие к смене этого сообщества другим. Сукцессия – последовательная смена биоценозов, преемственно возникающая на одной и той же территории (биотопе) под влиянием природных факторов или воздействия человека. Изменения в сообществе в результате сукцессии носят закономерный характер и обусловлены взаимодействием организмов между собой и окружающей абиотической средой. Экологическая сукцессия происходит в определенный отрезок времени, в который изменяется видовая структура сообщества и абиотическая среда его существования вплоть до кульминации его развития - возникновение стабильной экосистемы.

Стабильность сообщества может быть длительной лишь в том случае, если изменения среды, вызванные одними организмами, точно компенсируются деятельностью других, с противоположными экологическими требованиями. Это условие нарушается при нарушении круговорота веществ и тогда часть популяций, которые не могут выдержать конкуренцию, вытесняются другими, для которых эти условия благоприятны, и стабильность восстанавливается. В своем развитии экосистема стремится к устойчивому состоянию. Сукцессионные изменения происходят до тех пор, пока не сформируется стабильная экосистема, производящая максимальную биомассу на единицу энергетического потока.