§ 57 Биогеоценозы, экосистемы и биосфера

Каждый живущий организм связан с окружающей средой потоками веще­ства и энергии, проходящими через его тело. Потребляя и выделяя вещество и энергию, живые организмы влияют на среду своего обитания уже тем, что живут. Результаты жизнедеятельности каждого отдельного существа могут быть невелики и малозаметны. Но все вместе они сливаются в мощную силу, преобразующую земную поверхность. Выдающий­ся отечественный ученый-естествоиспытатель, создатель ряда наук о Земле и учения о биосфере В.И. Вернадский писал, что на Земле нет силы более могущественной по своим последствиям, чем живое вещество, как он назвал все живые организмы, взя­тые в целом.

В биоценозах все популяции видов связаны друг с другом сложной пищевой сетью. Солнечная энергия поступает в организмы животных из расте­ний, которые черпают запасы вещества и энергии из неживой природы. В итоге любой биоценоз представляет некое единство со своим биотопом, создавая целостную систему, которую называют экосистемой. Организованная в экосистемы жизнь на Земле продолжается уже миллионы лет, не пре­рываясь. Экосистемы бывают разных масштабов, наземные и водные: пруд с его обитателями, озеро, море, океан, небольшой лес, целая тайга, степь, пустыня — все это природные экосистемы. Аквариум, сад, пшеничное поле — экосистемы, созданные человеком.

Наземные экосистемы, связанные с участками однородной растительно­сти, называют биогеоценозами. Таковы, например, ельник кисличный, ельник зеленомошный, березняк разнотравный, сфагновое болото, луг, ковыльная степь и т. п.

В названии «биогеоценоз» подчеркивается тесная взаимосвязь («ценоз») живых («био-») и неживых («гео-») компонентов на определенном участке зем­ной поверхности. Учение о биогеоценозе и сам термин создал крупный российский ученый-ботаник В.Н. Сукачев.

Экосистем на Земле очень много. Существенным свойством каждой из них является круговорот веществ и потоки энергии. Из-за большой роли живых орга­низмов круговорот веществ в экосистемах часто называют биологическим круго­воротом веществ.

Биологический круговорот веществ является главным условием суще­ствования экосистемы.

Круговорот веществ в биогеоценозе осуществляется благодаря наличию в нем четырех неотъемлемых компонентов (рис. 82): 1) абиотического компо­нента (запаса биогенных веществ и солнечной энергии); 2) продуцентов (созда­ющих органическое вещество); 3) консументов (потребляющих органическое вещество); 4) редуцентов (разлагающих мертвое органическое вещество).

Биогенными веществами называют минеральные соединения, использу­емые для синтеза органических веществ. Продуценты — это организмы, создающие эти органические вещества и запасающие в них лучистую энергию Солн­ца. Обычно это фотосинтезирующие зеленые растения и некоторые прокари­оты (цианобактерии). Консументы — это переработчики биологической про­дукции, в основном животные, а также грибы и некоторые паразитические и насекомоядные растения. Редуценты — организмы, разлагающие мертвые остатки растений, животных и других представителей живого мира до мине­ральных соединений (углекислого газа, воды и минеральных солей). В роли редуцентов выступают по преимуществу бактерии, а также грибы и некоторые животные (простейшие). Совместная деятельность этих разных по экологиче­ским функциям групп организмов и является двигателем биологического кру­говорота веществ в биогеоценозе.

Биогеоценозы (экосистемы) устойчивы лишь в том случае, когда все четы­ре компонента, входящие в их состав, поддерживают круговорот веществ достаточно полно.

Круговорот веществ поддерживается в биогеоценозах (экосистемах) постоянным притоком все новых и новых порций энергии. Хотя по закону сохранения энергии она не исчезает бесследно, а лишь переходит из одной формы в другую, круговорота энергии в эко­системах быть не может. Расходуясь на жизне­деятельность организмов, усвоенная ими энер­гия постепенно переходит в тепловую форму и рассеивается в окружающем пространстве. Таким образом, деятельность экосистемы на­поминает круговое вращение мельничного колеса (круговорот веществ) в потоке быстро­текущей воды (поток энергии).

Одна и та же порция вещества и заклю­ченная в нем энергия не могут бесконечно передаваться по сложной сети питания, связы­вающей организмы в биогеоценозе. На самом деле трофическая сеть состоит из переплетения коротких пищевых (трофи­ческих) цепей — последовательного ряда питающихся друг другом организмов, в котором можно проследить расходование первоначальной порции энергии. Каждое звено ряда называют трофическим уровнем.

Возьмем для примера короткую пищевую цепь: капуста (первый трофический уровень) — коза (второй трофический уровень) — волк (третий уровень). Капуста с экологической точки зрения — продуцент, коза — консумент первого порядка как растительноядное животное, а хищный волк — консумент второго порядка. Проследим, как расходуется в этой цепи солнечная энергия, связанная в кочане капусты, зная, что от усвоенной животным пищи лишь небольшая доля идет на рост организма, т. е. откладывается в его теле. Остальная тратится на поддержание обмена веществ, на обеспечение размножения и часть удаляется из организма как неусвоенная.

Подсчитано, что в среднем на рост идет около 10 % усвоенной энергии. Следовательно, в теле козы задержится даже менее десятой части энергии, заключенной в кочане капусты, так как часть вещества капусты не усваивается. Когда же козу съест волк, то на прирост его тела достанется не более одного процента энергии, которая была в кочане капусты.

В каждом последующем звене цепей питания количество задерживаемой энергии уменьшается примерно в 10 раз, и уже через 4-5 звеньев она практиче­ски полностью иссякает. Это так называемое экологическое «правило десяти процентов» имеет огромное практическое значение. Оно позволяет понять, как расходуется в экосистеме продукция — органическое вещество, создаваемое растениями за определенное время. На создание 1 кг массы растительноядных животных затрачивается в 10 раз больше солнечной энергии, чем на 1 кг мас­сы растений. Продукция плотоядных поэтому обходится в 100 раз дороже.

Передача органического вещества и энергии по цепям питания подчиня­ется «правилу десяти процентов».

«Правило десяти процентов» можно выразить графически в виде так на­зываемых экологических пирамид. В них отображают: число особей, включенных в пищевую цепь (пирамида численности), биомассу (суммарную массу организмов) экосистемы (пирамида биомассы), вовлеченную в оборот энергию (пирамида энергии). Нижняя ступень соответствует первому, трофическому уровню, а каж­дая последующая ступень оказывается в 10 раз меньше предыдущей (рис. 83).

Человеческое общество живет за счет первичной и вторичной продук­ции растений и животных. Продукция животных обходится и природе, и лю­дям дороже, чем растительная. Поэтому проблема голода для населения раз­ных стран начинается прежде всего с нехватки вторичной продукции — живот­ных белков, необходимых в рационе человека.

Даже в самых устойчивых биогеоценозах (экосистемах) Земли кругово­рот веществ не замкнут. Часть вещества переносится ветрами и течениями, сносится в понижения рельефа, мигрирует вместе с поверхностным стоком и подземными водами. В результате все экосистемы суши и океана оказывают­ся связанными в единую глобальную экосистему — биосферу. Из множества свя­занных друг с другом круговоротов складывается установившийся за многие миллионы лет глобальный биологический круговорот веществ биосферы, под­держивающий устойчивость жизни на планете.

Учение о биосфере создано В.И. Вернадским. Он характеризует биосферу не только как область распространения жизни на Земле, но и как часть плане­ты, целиком преобразованную жизнью. По Вернадскому, круговороты важней­ших биогенных элементов в биосфере создаются организмами. Благодаря им химические вещества оболочек Земли попеременно переходят из неживой природы в живое вещество, а из живого вещества вновь в неживую природу.

Поэтому биосферу называют также глобальной экосистемой. Биологический круговорот зародился с момента появления первых организмов (коацерватов, или протобионтов) и продолжается уже в течение миллиардов лет. Так поддер­живается жизнь и существование биосферы (рис. 84).

Биосфера как глобальная экосистема — закономерный продукт эволюции планеты Земля. Вместе с тем биосфера является главнейшей ареной жизни и хозяйственной деятельности человека. В своем глобальном проявлении био­сфера выступает как гигантская экосистема, которая аккумулирует с помощью растений энергию Солнца и трансформирует ее в живые системы, обеспечи­вая непрерывность и многообразие жизни на нашей планете.