В настоящее время концепция экосистемы играет весьма важную роль в экологии благодаря гибкости самого понятия: к экосистемам можно относить биотические сообщества любого масштаба с их средой обитания — от пруда до Мирового океана и от пня в лесу до обширного лесного массива — тайги и т.п. Экосистема – основная функциональная единица в экологии.
В каждой экосистеме существует две главные составляющие:
n биотический компонент – живой;
n абиотический – неживой. Абиотические компоненты (химические вещества, из которых состоят почва, воздух, вода) – преобладают и регулируют жизнедеятельность и само существование биотического компонента, т.е. живых организмов. Абиотические компоненты находятся как вне, так и внутри живых организмов.
С точки зрения трофической структуры, то есть структуры питания, экосистему можно разделить да два яруса:
1) верхний – автотрофный (самостоятельно питающийся) ярус, или «зеленый пояс», включающий растения или их части, содержащие хлорофилл, где преобладают фиксация энергии света, использование простых неорганических соединений и накопление сложных органических соединений;
2) нижний – гетеротрофный (питаемый другими) ярус, или «коричневый пояс» почв и осадков, разлагающихся веществ, корней и т. д., в котором преобладают трансформация и разложение сложных соединений.
С биологической точки зрения, в составе экосистемы удобно выделять следующие компоненты:
1) неорганические вещества (С, N, CO2, H2O и др.), включающиеся в круговороты;
2) органические соединения (белки, углеводы, липиды, гумусовые вещества и т.д.), связывающие биотическую и абиотическую части;
3) воздушную, водную и субстратную среду, включающую климатический режим и другие физические факторы;
4) продуцентов;
Продуценты — организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических с использованием внешних источников энергии. Так как продуценты сами производят органическое вещество, их называют автотрофами — самопитающимися, в отличие от всех остальных организмов, которые называют гетеротрофами — питаемыми другими.
В соответствии с источниками энергии, используемыми для синтеза органического вещества, автотрофы подразделяются на фототрофов (использующих энергию Солнца) и хемотрофов (использующих энергию химических связей, высвобождающуюся в процессе окисления минеральных веществ).
Основную массу фототрофов составляют зеленые растения, в клетках которых содержится хлорофилл и происходит процесс фотосинтеза. К этой категории также относятся цианобактерии и некоторые другие бактерии, проводящие фотосинтез не в хлорофилле, а в иных специализированных пигментах. К хемотрофам относятся только бактерии, окисляющие различные минеральные вещества (нитрофицирующие бактерии, железобактерии, серобактерии и др.).
5) консументов;
Консументы (от лат. konsumo — потребляю) — организмы, не способные строить свои организмы из неорганических веществ и нуждающиеся в готовой органической пище.
К консументам относятся все животные от мельчайших примитивных до самых совершенных, включая человека. Есть консументы и среди растений: это паразитирующие на других растениях. Существуют также растения со смешанным типом питания, например, росянки.
Среди консументов-животных выделяют растительноядных животных (консументы первого порядка), мелких и крупных хищников (консументов второго, третьего порядка и др.).
Консументы также подразделяют на сапрофагов (питающихся мертвыми растительными остатками), фитофагов (поребителей живых растений), зоофагов (нуждающихся в живой пище) и некрофагов (трупоядных животных). Кроме того, организмы, питающиеся мертвыми остатками растений и животных — детритом, дополнительно выделяют в группу детритофагов.
6) редуцентов;
Редуценты (от лат. reducere — возвращать) — организмы, использующие в качестве пищи органическое вещество и подвергающие его минерализации. Поэтому данная категория организмов также называется деструкторами, ибо они окончательно разрушают органические вещества до относительно простых неорганических соединений, используемых консументами в качестве пищи. Тем самым осуществляется возврат вещества в начало природной цепи питания.
К редуцентам относятся многие виды бактерий и грибов, разлагающих в процессе метаболизма мертвое органическое вещество (трупы животных, гниющие растения, фекалии) до минеральных составляющих. Именно они (редуценты) завершают биологические циклы вещества в биосфере, возвращая в почву, воду и воздух биогены (С02, минеральные соли, воду, сероводород, азот и др.), которые вновь могут быть использованы растениями.
Закономерности, характерные для экосистем:
n чем разнообразнее условия заселенного участка (биотопа) в пределах экосистемы, тем больше видов его населяет;
n чем больше видов содержит экосистема, тем меньше особей насчитывают соответствующие видовые популяции, например, в лесах видовое разнообразие животных значительное, а популяции относительно малочисленны;
n чем больше видов содержит экосистема, тем больше ее экологическая устойчивость;
n эксплуатируемые человеком системы, представленные одним или очень малым числом видов (например, поля для выращивания сельскохозяйственных культур) неустойчивы по своей природе и не могут самоподдерживаться.
n никакая часть экосистемы не может существовать без другой. Если, например, исчезает какая-либо группа организмов, вид, то по закону цепных реакций может разрушиться все сообщество.
n стабильность экосистемы - способность экосистемы сохранять свою структуру и функции при воздействии внешних и внутренних факторов; Гомеостаз экосистемы— способность биологических систем (организма, популяции и экосистем) противостоять изменениям и сохранять равновесие. Например, у пойкилотермных животных изменение температуры тела регулируется специальным мозговым центром, куда постоянно поступает сигнал обратной связи, содержащий данные об отклонении от нормы, а от центра поступает сигнал, возвращающий температуру к норме;
n Любая экосистема способна к саморегулированию. Это значит, что в экосистеме во времени и пространстве поддерживаются основные параметры и она находится в состоянии динамического равновесия.
В. Н. Сукачев в 1944 г. учение о «биогеоценозе».
Биогеоценоз (от греч. bios — жизнь, гео — Земля, ценоз — сообщество) – это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий), имеющая специфику взаимодействий слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией между собой и с другими явлениями природы.
Понятие «экосистема» и «биогеоценоз» близки друг к другу, но не являются синонимами. По определению А. Тэнсли, экосистемы – это безразмерные устойчивые системы живых и неживых компонентов, в которых совершается внешний и внутренний круговорот веществ и энергии. Таким образом, экосистема – это и капля воды с ее микробным населением, и горшок с цветком, и космический пилотируемый корабль, и индустриальный город. Под определение биогеоценоза они не подпадают, так как им не свойственны многие признаки этого определения.
Экосистема может включать несколько биогеоценозов.
Таким образом, понятие «экосистема» шире, чем «биогеоценоз», то есть любой биогеоценоз является экологической системой, но не всякая экосистема может считаться биогеоценозом, причем биогеоценозы – это сугубо наземные образования, имеющие свои четкие границы. Контур биогеоценоза устанавливается по границе растительного сообщества (фитоценоза).
Биогеоценоз включает две главные составляющие: совокупность на определенной территории абиотических факторов, то есть экотоп, и совокупность живых организмов – биоценоз.
Термин «биоценоз» был предложен немецким зоологом К. Мебиусом и обозначает организованную группу популяций растений, животных и микроорганизмов, приспособленных к совместному обитанию в пределах определенного объема пространства.
Биоценоз включает в себя сообщества животных (зооценоз), растений (фитоценоз) и микроорганизмов (микробиоценоз).
Любой биоценоз занимает определенный участок абиотической среды. Биотоп — пространство с более или менее однородными условиями, заселенное тем или иным сообществом организмов.
В свою очередь экотоп состоит из совокупности климатических факторов – климатопа и из совокупности почвенно-грунтовых факторов – эдафотопа.
ФИТОЦЕНОЗ + ЗООЦЕНОЗ + МИКРОБИОЦЕНОЗ = БИОЦЕНОЗ.
Одно из важнейших свойств биогеоценоза – взаимосвязь и взаимозависимость всех его компонентов.
Для наглядности представления взаимоотношений между организмами различных видов в различных системах принято использовать экологические пирамиды. Трофическую структуру системы можно изобразить графически, в виде так называемых экологических пирамид. Основанием пирамиды служит уровень продуцентов, а последующие уровни питания образуют этажи и вершину пирамиды.
Известны три основных типа экологических пирамид: 1) пирамидa численности, 2) пирамида биомассы, 3) пирамида продукции (или энергии).
Пирамида численности отображает количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается.
Пирамида биомасс четко указывает на количество живого вещества (биомассу — суммарную массу организмов) на каждом трофическом уровне. В наземных экосистемах действует следующее правило пирамиды биомасс: суммарная масса растений превышает массу всех травоядных, а их масса превышает всю биомассу хищников.
Самым фундаментальным способом отражения связей между организмами разных трофических уровней и функциональной организации биоценозов является пирамида энергий, в которой размер прямоугольников пропорционален энергетическому эквиваленту в единицу времени, т. е. количеству энергии (на единицу площади или объема), прошедшей через определенный трофический уровень за принятый период.
В процессе жизнедеятельности системы создается и расходуется органическое вещество, т. е. соответствующая экосистема обладает определенной продуктивностью биомассы. Биомассу измеряют в единицах массы или выражают количеством энергии, заключенной в тканях.
Продуктивность — это скорость производства биомассы в единицу времени, которую нельзя взвесить, а можно только рассчитать в единицах энергии или накопления органических веществ.
Принято выделять четыре последовательные ступени (или стадии) процесса производства органического вещества:
1. валовая первичная продуктивность — общая скорость накопления органических веществ продуцентами (скорость фотосинтеза), включая те, что были израсходованы на дыхание и секреторные функции. Растения на процессы жизнедеятельности тратят примерно 20% производимой химической энергии;
2. чистая первичная продуктивность — скорость накопления органических веществ за вычетом тех, что были израсходованы при дыхании и секреции за изучаемый период. Эта энергия может быть использована организмами следующих трофических уровней;
3. чистая продуктивность сообщества — скорость общего накопления органических веществ, оставшихся после потребления гетеротрофами-консументами (чистая первичная продукция минус потребление гетеротрофа- ми). Она обычно измеряется за какой-то период; например, вегетационный период роста и развития растений или за год в целом;
4. вторичная продуктивность — скорость накопления энергии консументами. Ее не делят на «валовую» и «чистую», так как консументы потребляют лишь ранее созданные (готовые) питательные вещества, расходуя их на дыхание и секреторные нужды, а остальное превращая в собственные ткани.
Принцип Ле Шателье – Брауна:
n При любом внешнем воздействии, которое выводит систему из состояния равновесия, в системе усиливаются те процессы, которые ослабляют это воздействие, т.е. система стремиться вернуться в состояние равновесия.
n Способность экосистемы возвращаться в исходное состояние после воздействия каких либо факторов, которые выводят ее из равновесия, называют устойчивостью экосистемы
Правило одного процента:
n Изменение энергии природной экосистемы в среднем на 1% (от 0,3 до 1%) выводит экосистему из состояния равновесия.
n Из этого правила следует, что относительно безопасный уровень потребления ресурсов биосферы не должен превышать 1%;
n Сегодня этот показатель составляет около 10%.
