2.2. Типи живих організмів біосфери Землі

Протягом тривалого часу у біосфері склалися біосферні зв’язки.

Жива речовина (біота) — продуценти, консументи й редуценти — утворює ланцюг живлення (трофічний ланцюг), який через неживу речовину — мінеральні сполуки — замикає в коло. Продуценти синтезують органічні речовини з неорганічних, консументи їх трансформують, а редуценти розкладають до мінеральних сполук, які потім знову споживаються продуцентами для процесів синтезу. З потоку речовин у цьому колі утворюється біологічний кругообіг речовин. Геологічний і біологічний кругообіги речовин разом складають біогеохімічний кругообіг, поєднуючи в ньому водночас величезну потужність першого й надзвичайні швидкість та активність другого.

Внаслідок здійснення біологічного кругообігу речовин у біосфері відбуваються такі процеси:

1. продуценти (автотрофи) в межах реалізації механізму фотосинтезу виробляють органічну речовину, споживаючи сонячну енергію, воду, вуглекислий газ і мінеральні солі. До продуцентів належать хлорофіловмісні рослини (їх близько 350 тис. видів, за масою становлять 2,4×10¹² тон), синьо-зелені водорості та деякі бактерії. Завдяки фотосинтезу рослини продукують кисень. При цьому близько 80 % кисню надходить в атмосферу при фотосинтезі океанського планктону і 20 % — від земних рослин. Є також хемопродуценти, що виробляють органічну речовину використовуючи енергію хімічних реакцій (наприклад, окислення сполук заліза або сірки);

2. консументи (гетеротрофи) — організми що живляться органічною масою продуцентів. До консументів першого порядку належать рослиноїдні тварини — фітофаги. Консументи другого та третього порядків споживають інших консументів — зоофаги. До них належать хижаки і паразити, а також рослини- та гриби-хижаки. Їх близько 1,5 млн. видів, за масою складають близько 2,3×10¹⁰ тон;

3. редуценти (деструктори) — мікроорганізми, що розкладають „мертву” органічну речовину продуцентів і консументів (трупи, рослинний опад), виділення тварин та інші залишки до простих хімічних сполук (води, вуглекислого газу та мінеральних речовин), які знову використовуються продуцентами, замикаючи таким чином кругообіг речовин у біосфері. Їх налічується 75 тис. видів, а сумарна маса дорівнює 1,8×10⁸ тон.

2.3. Загальні уявлення про екосистеми

Біосфера неоднорідна і складається з сукупності екосистем.

Екологічна система — сукупність елементів, утворених живими організмами та середовищем їх існування, пов'язаних між собою обміном речовин та енергією.

Головна спільна риса всіх екосистем — це те, що в певних ланках трофічного ланцюга екосистеми засвоюється, передається й перетворюється енергія. В екосистемах також відбуваються міграція й трансформація речовини.

Залежно від характеру циркуляції речовини екосистеми поділяються на закриті й відкриті. В закритій екосистемі речовина циркулює від продуцентів до редуцентів по колу саме в межах цієї екосистеми. Так, у ставку біогенні елементи багаторазово проходять по тому самому колу: водорості→зоопланктон→риба→бактерії→мінеральні біогенні речовини→знову водорості. У відкритих екосистемах речовина по колу не обертається. Наприклад, в екосистемі окремого дерева гусінь з'їдає листя продуцента; саму ж гусінь ловлять птахи й відносять у свої гнізда на інші дерева. Отже, речовина з даної екосистеми вилучається й переноситься в іншу.

Розрізняють також екосистеми, здатні або не здатні до саморегуляції. Механізм саморегуляції в екосистемах першого типу здійснюється за принципом негативного зворотного зв’язку. Цей принцип у спрощеному варіанті можна уявити собі у вигляді ланцюга, кожна ланка якого виступає щодо двох сусідніх або хижаком, або жертвою. Якщо з якихось причин зменшується чисельність жертви, то через нестачу їжі з часом зменшується й чисельність хижака. Зниження чисельності хижака відповідно приводить до зменшення тиску на жертву, чисельність якої збільшується. Це знову створює умови для збільшення чисельності хижака. Отже, система «хижак↔жертва» саморегулюється, тобто утримується в рівноважному стані. При цьому чисельність жертви й хижака постійно коливається навколо якогось середнього значення. Ці коливання називають хвилі життя

Елементарними екосистемами, з яких складається біосфера, є біогеоценози — замкнені екосистеми, здатні до саморегуляції. Біогеоценозом називають однорідну ділянку земної поверхні з певним складом організмів, що населяють її (бактерій, рослин, тварин, грибів), і комплексом абіотичних компонентів (ґрунтом, повітрям, сонячною енергією та іншими), які пов'язуються обміном речовини й енергії в єдину природну систему.

Складові біогеоценозу:

1) біотоп — однорідний за абіотичними факторами середовища простір;

2) біоценоз — сукупність усіх представлених у межах даного біотопу організмів.

Функціональні складові біоценозу:

1. фітоценоз — сукупність усіх продуцентів даного біотопу (вищі рослини, водорості, автотрофні бактерії);

2. зооценоз — сукупність тварин-консументів;

3. мікробоценоз — сукупність редуцентів (бактерій і грибів-сапротрофів).

Межі біогеоценозу визначаються межами фітоценозу, тобто контуру однорідної рослинності, оскільки саме рослини-продуценти є першою ланкою трофічних ланцюгів біогеоценозу. Біогеоценози водойм називають також біогідроценозами.

Будь-який біогеоценоз являє собою систему елементів, що взаємодіють, — популяцій живих організмів.

Сукупність біогеоценозів із відносно схожими характеристиками (передусім — рослинністю), які займають значну територію й розвиваються в схожих кліматичних умовах, називають біомами. Сьогодні на нашій планеті виділяють близько 30 біомів.

Біомасою біогеоценозу називають кількість живої речовини на одиниці площі в момент спостереження (статичний показник біогеоценозу). Загальна біомаса визначається сумою біомас усіх популяцій, які населяють даний біогеоценоз. Найчастіше за одиницю біомаси беруть 1 г сухої (рідше сирої) органічної речовини на 1 м². Біомаса біогеоценозів різних типів коливається в широких межах – від 45 кг/м² (вологий тропічний ліс) до 3 г/м² (відкритий океан).

Продуктивністю біогеоценозу називають здатність живої речовини створювати, трансформувати й нагромаджувати органічну речовину (біомасу) — це динамічний показник біогеоценозу.

Виражають продуктивність через показники продукції. Розрізняють продукцію первинну — швидкість засвоєння сонячної енергії у вигляді органічних речовин, синтезованих продуцентами, та продукцію вторинну — швидкість трансформації й накопичення органічної речовини консументами й редуцентами. Оцінюють первинну й вторинну продукції за кількістю органічної речовини, синтезованої (первинна продукція) чи накопиченої (вторинна продукція) за одиницю часу на одиниці площі, або за кількістю енергії, запасеної в цій речовині. Найбільша первинна продукція у вологому тропічному лісі — 2200 г/м²·рік, найменша — у пустелі — 3 г/м²·рік.

Деструкція — швидкість розкладання органічної речовини до мінеральної. Процеси деструкції здійснюють редуценти — передусім гриби й бактерії. Різниця між первинною продукцією й деструкцією є показником акумуляції (накопичення) органічної речовини в біогеоценозі. Переважання продукції над деструкцією, яке супроводжується значним збільшенням у біотопі вмісту поживних речовин, називають евтрофікацією.

До кожного біогеоценозу входить багато видів, які належать до продуцентів, консументів чи редуцентів. Харчові зв'язки між цими видами утворюють трофічну мережу, або мережу живлення. Суть її полягає в тому, що в «меню» будь-якого виду, за винятком продуцентів, входить не один, а кілька або багато інших видів. Кожен із цих видів, своєю чергою, може бути їжею для кількох інших. У результаті безліч ланцюгів живлення в біогеоценозі складно переплітаються між собою, наче сітки. Зрозуміло, що чим більше видів населяють біогеоценоз, тим складнішою є його трофічна мережа.

Поступові необоротні зміни складу та структури біогеоценозу, що спричинюються зовнішніми або внутрішніми факторами, називають сукцесіями біогеоценозу. Наприклад, заростання озера й перетворення його на болото.

Сукцесії бувають повільними (тривають тисячоліття й десятки тисяч років), середніми (століття) й швидкими (десятиліття). Вони можуть відбуватися з внутрішніх причин (утворення нових видів) або під впливом зовнішніх факторів (засолення, підтоплення, вселення видів «чужих» фаун та флор); мати природне походження (у результаті підняття чи опускання суші) чи антропогенне (вирубування лісу, розорювання степу), бути прогресуючими (супроводжуватися збільшенням продуктивності й видового багатства, як у випадку заростання новоутворених річкових піщаних кіс) або, навпаки, регресуючими.

Якщо біогеоценоз не перебуває в стані швидкої або середньої сукцесії, то продукція, біомаса й видове багатство в ньому коливаються навколо певного середнього значення в результаті процесів саморегуляції за принципом негативного зворотного зв'язку. Такий біогеоценоз перебуває в стані динамічної рівноваги, або клімаксному стані.

Можливість переходу клімаксного біогеоценозу в сукцесійний стан визначається законом одного відсотка, згідно з яким зміна енергетики природної системи в межах 1 %, як правило, не виводить екосистему з рівноважного стану, і навпаки. Зміна потоку енергії в біогеоценозі більше ніж на 1 %, як у бік його зменшення, так і в бік збільшення, виводить екосистему з клімаксу й переводить її в сукцесійний стан. При цьому через велику кількість факторів, що взаємодіють, здебільшого не можна дати точний прогноз, якого характеру набере сукцесія — прогресуючого чи регресуючого, тобто шляхи розвитку біогеоценозу стають непередбачуваними.