Структура и функционирование экологических систем

 

Экологические факторы – это отдельные элементы среды обитания, которые воздействуют на организмы. Каждая из сред обитания отличается особенностями воздействия экологичес­ких факторов.

По природе экологические факторы делят на абиотические и биотические, природные и антропогенные.

Абиотические факторы – компоненты неживой природы, прямо или косвенно воздействующие на организм ( свет, температура, влажность, ветер, атмосферное давление, землетрясения, извержения вулканов, движение ледников, радиоактивное излучение, крутизна местности и др.).

Биотические факторы – воздействие на организм других живых организмов (внутривидовые, межвидовые; по типу взаимодействия – протокооперацию, муту­ализм, комменсализм, внутривидовую и межвидовую конку­ренции, паразитизм, хищничество, аменсализм, нейтрализм.

Антропогенные факторы – деятельность человека, приводящая либо к прямому воздействию на живые организмы, либо к изменению среды их обитания (охота, промысел, сведение лесов, загрязнение, эрозия почв и др.).

Несмотря на большое разнообразие экологических факторов, в характере их воздействия на организмы и в ответных реакцияхживых существ можно выявить ряд общих закономерностей.

1. Закон толерантности (закон оптимума или закон В. Шелфорда) – каждый фактор имеет определенные пределы положительного влияния на организмы. Как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизнедеятель­ности особей (много «хорошо» – тоже «не хорошо»).Факторы среды имеют количественное выражение. По отношению к каждому фактору можно выделить зону оптимума (зону нормальной жизнедеятельности), зону пессимума (зону угнетения) и пределы выносливости организма. Способность живых организмов переносить количественные колебания действия экологического фактора в той или иной степени называется экологической валентностью или толерантностью.

2. Закон минимума (закон Ю. Либиха или правило ограничивающих факторов) – возможности существования организмов в первую очередь ограничивают те факторы среды, которые наиболее удаляются от оптимума. Если хотя бы один из экологических факторов приближается или выходит за пределы критических величин, то, несмотря на оптимальное сочетание остальных условий, особям грозит гибель. Так, продвижение вида на север может лимитироваться (ограничивается) недостатком тепла, в аридные районы – недостатком влаги или слишком высокими температурами.

3. Гипотеза незаменимости фундаментальных факторов (В.Р. Вильямсон) – полное отсутствие в среде полное отсутствие в среде фундаментальных экологических факторов (физиологически необходимых; например, света, воды, углекислого газа, питательных веществ) не может быть компенсировано (заменено) другими факторами. Так, по данным «Книги рекордов Гиннеса» без воздуха человек может прожить до 10 мин., без воды – 10–15 суток, без пищи – до 100 дней.

Живые организмы находятся между собой и абиотическими условиями среды обитания в определенных отношениях, обра­зуя тем самым, так называемые, экологические системы.

Биоценоз – совокупность популяций разных видов, обитающих на определенной территории.

Биотоп – определенная территория со свойственными ей абиотическими факторами среды обитания (климат, почва).

Биогеоценоз – совокупность биоценоза и биотопа.

Экосистема (экологическая система) – система совместно обитающих живых организмов и условий их существования, связанных потоком энергии и круговоротом веществ. Экосистема = биоценоз + биотоп.

При всем многообразии органический мир представляет собой единое целое». Все виды живых организмов представляют собой различные формы существования живой материи. Как бы ни отличались друг от друга отдельные виды животных, растений и микроорганизмов, всем им присуще определенное биохимическое единство, выражающееся в общности химического состава (белков, углеводов, жиров, ферментных и гормональных систем и др.) и близости типов реакций, лежащих в основе процессов ассимиляции и диссимиляции. Например, химическое сходство нуклеиновых кислот, основных ферментов, хлорофилла растений и гемоглобина животных. В то же время имеются и специфические особенности биохимизма, отличающие животных, растений, грибов, бактерий, вирусов и даже одну особь данного вида от другой.

Огромное видовое разнообразие живых организмов обеспечивает постоянный биогеохимические круговороты веществ. Каждый из организмов, вступает в специфические взаимоотношения со средой и играет свою роль в трансформации веществ и энергии. Живые организмы входят в тот или иной биоценоз – совокупность популяций разных видов, обитающих на определенной территории.

Важное экологическое правило состоит в том, что чем разнороднее и сложнее биоценоз, тем выше его устойчивость, способность противостоять различным внешним неблагоприятным воздействиям. Одни и них сохраняются в течение длительного времени, другие закономерно изменяются. Процесс смены одного сообщества другим называется сукцессией. В ходе сукцессии увеличивается разнообразие входящих в состав биоценоза видов организмов, вследствие чего повышается его устойчивость.

Повышение видового разнообразия обусловлено тем, что каждый новый компонент биоценоза открывает новые возможности для других. Например, появление деревьев позволяет проникнуть в экосистему видам, живущим в подсистеме дерева: на коре, под корой, строящим гнезда на ветвях, в дуплах.

Объединение разнородных индивидуумов в популяции создает преимущества в борьбе за существование и обеспечивает более активные отношения вида со средой обитания, поскольку возникают более активные сложные формы групповой жизнедеятельности. Морфологическое разнообразие внутри вида, существование географических рас (подвидов) и биологических форм расширяют использование видом среды и имеют важное значение в борьбе за существование с другими видами. В состав биоценоза входят 4 функциональных компонента, обеспечивающих круговорот веществ:

- Продуценты – автотрофные организмы, способные производить органические вещества из неорганических, используя фотосинтез или хемосинтез (растения и авто­трофные бактерии).

- Консументы (макроконсументы, фаготрофы) – гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество продуцентов или других консументов (животные, гетеротрофные растения, некоторые микроорганизмы).

- Редуценты (микроконсументы, деструкторы, сапротрофы, осмотрофы) – гетеротрофные организмы, питающиеся органическими остатками и разлагающие их до минераль­ных веществ (сапротрофные бактерии и грибы).

В экосистеме пищевые и энергетические связи идут в направлении: продуценты → консументы → редуценты. Питаясь друг другом, живые организмы образуют цепи питания. Каждое звено цепи называется трофическим уровнем. При передаче энергии в пищевой цепи с одного трофичес­кого уровня на другой большая часть энергии рассеивается в виде тепла (в соответствии со вторым законом термодинамики), и только около 10 % от первоначального количества передается по пищевой цепи.

Правило десяти процентов – на каждый следующий трофический уровень переходит примерно 10 % вещества и энергии предыдущего уровня.

Таким образом, биоценозы – целостные системы, где существование одних видов без других невозможно, так как их обмены веществ сопряжены и приспособлены друг к другу: одни виды используют продукты метаболизма других видов или их самих в качестве пищи. В биоценозе на основе взаимодействия составляющих их видов возникают новые формы отношений живых существ с неживой природой.

Энергия в разных формах связывает все организмы на Земле друг с другом и со средой их обитания. Почти вся энергия, за счет которой существует биосфера, поступает на Землю в виде солнечного излучения. Дополнительные источники, незначительные для биосферы в целом, но важные для некоторых организмов – это внутренней тепло Земли и притяжение Луны.

Порция солнечной энергии, поступающая в виде света, связывается фототрофами – организмами, способными преобразовывать световую энергию в энергию химических связей сложных органических веществ (растения используют 1 % солнечной энергии). Этот процесс называется фотосинтезом и является основой всей жизни на Земле. В результате фотосинтеза не только создается пища для всех животных, грибов и множества бактерий, использующих готовые органические вещества, но и выделяется в атмосферу кислород, необходимый для жизни большинства организмов.

Помимо энергии всем организмам необходимы элементы, входящие в состав неорганических веществ, в частности углерод, водород, кислород, азот. Они необходимы всем живым существам в больших количествах, в связи, с чем они получили название органогенных элементов. Всем организмам нужны также фосфор, сера, калий, кальций, железо, магний и другие элементы.

Все перечисленные элементы совершают в биосфере круговорота переходя от одних организмов к другим. Если какого-либо элемента организму не хватает, то он перестает расти и размножаться, несмотря на то, что все остальные необходимые элементы могут при этом присутствовать в достаточном количестве. Все это незаменимые ресурсы, поскольку каждый из них необходим для жизни.

В то же время биосфера Земли является ресурсом для жизни живых организмов. Например, разнообразные виды микробов (хемогетеротрофы, фотоавтотрофы и др.) в результате жизнедеятельно­сти вырабатывают кислород, необходимый для жизни всех существ.

Бактерии, цианобактерии (сине-зеленые водоросли), микроскопические грибы, простейшие играют ведущую роль в жизни биосферы. Не будь микроорганизмов, круговорот веществ на планете не мог бы осуществляться. Условия, в которых ныне существуют высшие формы жизни (растения, животные), созданы микроорганизмами, прежде всего бактериями.

Мир бактерий разнообразен. Существуют сообщества микроорганизмов, образующие горные породы и называемые строматолитами. Древнейшие сообщества микроорганизмов, к которым относятся и строматолиты, создали ту биохимическую «машину» планеты, в которую затем встраивались растения и животные. Именно они создали первую на Земле пленку органического вещества и обогатили атмосферу кислородом.

Возникшие значительно позже растения и животные в свою оче­редь создали для бактерий новые экологические ниши. Так, особые сообщества микроорганизмов складываются в почве, прилегающей к корням растений. Или, например, некогда проглоченные с частицами органического вещества бактерии в ходе эволюции образовали сообщества в пищеварительном тракте млекопитающих.

Всюду на Земле можно встретить разнообразные формы жизни – от невидимых вирусов и бактерий до громадных китов и гигантских деревьев. Рост разнообразия живых организмов способствовал возрастанию устойчивости биосферы, ее развитию и совершенствованию, а также эволюционному развитию видов и сохранению энергии и ресурсов.

В ходе естественного отбора в составе биоценоза неизбежно сохраняются лишь те виды организмов, которые могут наиболее успешно размножаться именно в данном сообществе.

Таким образом, устойчивость биосферы в целом, ее способность эволюционировать определяется тем, что она представляет собой систему относительно независимых биоценозов. Взаимосвязь между ними ограничивается связями посредством неживых компонентов биосферы.

На всей земной поверхности и в глубинах Мирового океана условия жизни неоднородны. В различных регионах Земли степень видового разнообразия различна. В тундрах число видов высших сосудистых растений (т.е. без учета водорослей, мхов и лишайников) не превышает 200–300 на площади 100 км², в тайге – 400–600, в степях – 800–900, в тропиках на 100 км² приходится более чем 200 тыс. видов. Биологическое разнообразие животных увеличивается от полюсов к экватору и достигает своего пика в тропиках. Велико биологическое разнообразие в морях и океанах. Наиболее богаты прибрежные воды глубиной до 200 м. Жизнь существует даже на океаническом дне, откуда постоянно выбрасываются насыщенные солями жгучие растворы с температурой 300–450°С. Обладая разной толщиной, «пленка жизни» не прерывается нигде.

В истории Земли были катастрофы, когда биологическое разнообразие, как на суше, так и в океане резко сокращалось за короткие в геологическом масштабе сроки. Многие виды исчезали, земная кора опускалась или поднималась, менялись уровень моря, климат. Виды погибали, не приспособившись к новым условиям, но они сменялись новыми. Поэтому после их гибели происходило обновление менее приспособленных форм более приспособленными.

Биосфера Земли проявила свою устойчивость и способность развививаться, несмотря на серьезные изменения в облике Земли (например, в ледниковый период). Именно благодаря многообразию живым организмов, их способности выживать, приспосабливаться к изменяющимся условиям, размножаться биосфера Земли, хотя и изменяется, но не теряет своей устойчивости.