Взаємодії в екологічних системах. Принципи формування екосистем.

Між угрупуваннями організмів та абіотичним середовищем екосистеми існують тісні матеріально-ресурсні зв'язки та взаємодії. Ці зв'язки є надзвичайно різноманітними і складними, але за рахунок формування системи "живі організми - абіотичне середовище", в екосистемах потоки речовини замикаються в кругообіг. Отже, екосистема – сукупність організмів і неорганічних компонентів, в якій може здійснюватись колообіг речовин та енергії.

Для підтримання такого кругообігу в екосистемі, потрібний певний запас неорганічних речовин та наявність таких екологічних груп організмів:

· продуцентів – автотрофних організмів, які утворюють органічну речовину з неорганічної. До продуцентів належать вищі рослини, фітопланктон та деякі види бактерій;

· консументів – гетеротрофних організмів, які живляться органічною речовиною або автотрофами, вони не здатні самостійно утворювати органічну речовину із неорганічної. До консументів належать усі тварини, ряд мікроорганізмів, паразитичні рослини;

· редуцентів – сапротрофних організмів, які живляться мертвою органічною речовиною, переводячи її знову в неорганічні сполуки. До цієї групи організмів належать бактерії та нижчі гриби, деякі комахи та їх личинки, представники безхребетних.

Усі названі групи організмів у будь-якій екосистемі тісно взаємодіють між собою, впливаючи на потоки енергії й речовини, їхнє спільне функціонування підтримує структуру і цілісність біоценозу, істотно впливаючи на абіотичне середовище.

Загальна схема переносу речовини та енергії в природних екосистемах має наступний вигляд:

продуценти консументи редуценти

 

Як видно, в межах екосистем здійснюється кругообіг речовини, тоді як потік енергії є однонапрямленим.

Масштаби екосистем є різними: від лишайника на дереві до життєвого покриву Землі.

Різним є і ступінь замкнутості колообігів речовин, тобто багаторазовість втягування одних і тих самих атомів у цикли. Наприклад, для лісу, озера або степу кругообіг речовини є збалансований і характеризується високим ступенем замкненості; для крутосхилу та річок характерним є інтенсивне винесення речовини за межі екосистеми, тому стабільність їх підтримується за рахунок надходження речовини ззовні.

Розташування трьох останніх компонентів відносно потоку енергії, що надходить визначають структуру екосистеми. Продуценти пере­творюють сонячну енергію, вуглекислий газ і воду в процесі фотосинтезу на органічну речовину і кисень, тобто на енергію хімічних зв'язків. Кон­сументи, поїдаючи продуцентів, розривають ці зв'язки. Вивільнена енер­гія використовується консументами для побудови власного тіла. Редуцен­ти руйнують хімічні зв'язки молекул органічних речовин, які розщеплю­ються, і будують своє тіло. В результаті вся енергія, яку засвоїли проду­центи, використовується на підтримання життя, а частина розсіюється в навколишній простір. Органічні речовини розкладаються на неорганічні і повертаються до продуцентів. Таким чином, структуру екосистеми утво­рюють три рівні (продуценти, консументи, редуценти) трансформації енергії і два колообіги – твердих і газоподібних речовин.

Згідно із законом екологічної кореляції, в екосистемі, як і в будь-якій іншій системі, всі види живої речовини і абіотичні екологічні компоненти функціонально відповідають один одному. Випадання однієї частини сис­теми (виду) неминуче призводить до вимикання пов'язаних з нею інших частин екосистеми і функціональних змін.

Екосистеми – відкриті функціонально цілісні системи, які існують за рахунок надходження з навколишнього середовища енергії та частково ре­човини і які саморегулюються та самовідтворюються. Проте антропогенні екосистеми, що створені людиною і функціонують за її безпосередньою уча­стю, не здатні саморегулюватися і самовідтворюватися. Здатність екосис­тем до саморегуляції та самоггідтримання називають гомеостазом. Екосис­теми не слід розглядати як щось стале. Система, що зберігає свою стійкість за відносної стабільності зовнішнього середовища, здатна до різних змін унаслідок змін у зовнішньому середовищі і в складі самої екосистеми. Так, у покинутому полі спочатку з'являються багаторічні трави, на зміну яким послідовно приходять чагарники і деревна рослинність.

У підтриманні гомеостазу беруть участь не лише організми та продукти їхньої життєдіяльності, а й неорганічна природа. Абіотичні фактори конт­ролюють життєдіяльність організмів. Організми, в свою чергу, різними способами впливають на абіотичне середовище. Життєдіяльність організмів постійно призводить до змін інертних речовин, постачаючи в середовище нові речовини і джерела енергії. Швидкість зміни хімічного складу навко­лишнього середовища в результаті життєдіяльності організмів, які синте­зують і розкладають органічні речовини, на чотири порядки вища, ніж швидкість його зміни під впливом геологічних процесів.

Ланцюги живлення.

У природі відбувається безперервний колообіг біогенних речовин, не­обхідних для життя. Автотрофи за допомогою фотосинтезу створюють органічні речовини, якими живляться гетеротрофи, а редуценти знов їх мінералізують. Таким чином, у процесі еволюційного розвитку життя в екологічних системах склалися певні ланцюги живлення (трофічні; грец. «трофо» – живлення).

Ланцюг живлення (трофічний ланцюг) – це:

· по­слідовність груп організмів, кожна з яких (ланка ланцюга) є поживою для наступної, тобто поєднана зв'язками їжа – споживач.;

· шлях витрачання початкової дози енергії.

На базі трофічних зв'язків виникають ланцюги живлення, що включають групи організмів, у яких одні поїдають інших. До будь-якої екосистеми входить кілька тро­фічних рівнів або ланок ланцюга. На основі ланцюгів живлення складаєть­ся екологічна піраміда.

Ланцюг живлення, як правило, складається з 2–5 ланок і включає представників продуцентів, консументів і редуцентів.

Перший рівень представлений автотрофними організмами (рослина­ми) – продуцентами, другий – гетеротрофами (тваринами) – консументами першого порядку. Їх ще називають фітофагами (грец. «фітон» – рослина і «фагос»–той, що пожирає), які поїдають рослини. Третій рівень (інколи четвертий, п'ятий) представлений хижаками (зоофагами), або консументами другого (третього, четвертого) порядку. Останній рівень представлений в основному організмами, поживою яких є мертва речо­вина, їх називають сапрофагами (грец. «сапрос» – гнилий), або редуцентами (лат. «редуцере» – повертати).

Головною властивістю ланцюга живлення є здійснення біологічного колообігу речовин і звільнення запасеної в органічній речовині енергії. Ланцюг живлення може бути не завжди повним. У деяких випадках у них немає рослин (продуцентів). Такими, наприклад, є ланцюги живлення, що формуються на основі розкладання трупів тварин або рослинних реш­ток (лісова підстилка). В ланцюзі живлення часто відсутні або представлені в невеликій кількості тварини (гетеротрофи). Наприклад, у лісі відмерлі рослини відразу споживають редуценти, які розкладають органічні спо­луки до мінеральних речовин і вуглекислого газу, завершуючи колообіг.

У процесі кожного чергового перенесення енергії живлення з одного тро­фічного рівня на вищий більша частина (80 – 90 %) енергії втрачається, переходячи в теплоту.

Ланцюги живлення поділяють на два типи:

· виїдання чи пасовищні (від зеленої рослини до травоїдної тварини і далі – до хижаків, що поїдають рослиноїдних тварин);

· розкладання чи детритні (ланцюги розкладання від детриту через мікроорганізми до детритофагів та їх споживачів – хижаків). Останнім часом вважають, що краще вживати термін «трофічна мережа», а не «лан­цюг», оскільки до складу їжі кожного типу входить кілька видів. Кожен з цих видів, у свою чергу, може бути живленням для кількох інших видів.

Основним способом живлення рослин є фотосинтез, у процесі якого під дією сонячної енергії відбувається перетворення неорганічної речови­ни – вуглекислого газу і води на вуглеводи.

В екологічних системах (біогеоценозах) у процесі еволюції в ланцюгах живлення визначилась важлива закономірність, що дістала назву правила екологічної піраміди: кількість рослинної маси приблизно в 10 разів більша за масу рослиноїдних тварин, а маса травоїдних у стільки ж разів більша за масу хижаків. Завдяки тому, що при переході від однієї ланки трофічного ланцюга до іншої втрачається до 80 – 90 % зв'язаної енергії у вигляді теплоти, довжина ланцюгів невелика. Найефективнішим є переда­вання енергії від одного консумента до іншого, і тому ці ряди найдовші.

Співвідношення чисельності організмів, величини біомас або зв'язаної в біомасі енергії зобра­жають у формі екологічних пі­рамід. Відповідно роз­різняють піраміди чисельності, біомаси та енергії. В основі піра­міди розміщують відповідні зна­чення першого трофічного рівня екосистеми, а на вершині – ос­таннього. Від основи піраміди до її вершини числові значення, як правило, зменшуються, тому во­на спрямована вістрям догори. В енергетичних екологічних пірамідах таке звуження спостері­гається завжди. Екологічні піра­міди наочно характеризують не лише кількість біомаси, а й інтен­сивність її переробки. Проте ця величина має в цьому випадку тільки якісний характер.

У трофічних ланцюгах усі речовини послідовно переходять від одного виду організмів до іншого. Концентрування речовин у трофічних ланцюгах слід враховувати в разі забруднення біосфери ксенобіотиками, тому що при споживанні в їжу тварин і птахів концентрації цих забруднювальних шкідливих речо­вин можуть бути значними. Трофічні ланцюги виконують ще й бар'єрну функцію, що сприяє самоочищенню завдяки концентруванню речовин і виведенню їх з біологічного колообігу.

 

Індивідуальні завдання:

1. Проаналізуйте зміст понять «біоценоз» та «біогеоценоз» і вкажіть риси подібності та відмінності між ними, заповнивши таблицю за зразком:

 

Ознаки структури та особливості функціонування	Біоценоз	Біогеоценоз
наявність тваринних організмів	+	+

 

2. Схематично зобразіть структуру біогеоценозу та екоситеми.

 

3. Відомо, що середня маса вовка 40 кг. Припускаємо, що з одномісячного віку, коли маса вовченяти сягнула 1 кг, воно харчувалось виключно зайцями з середньою масою 2 кг. Яку кількість зайців з’їв вовк, щоб досягти вказаної маси (40 кг)? Яку кількість рослинної їжі з’їли зайці?

 

4. Відсутність якої екологічної групи організмів не позначиться (не зруйнує) на функціонуванні екосистеми. Відповідь обгрунтуйте.

 

 

5. Суть яких процесів відображають нижчеподані схеми? Наскільки повними, завершеними вони є на вашу думку?