Экологические системы и их структура

Экологический подход к биосфере порождает специфическую методологию исследования биосферных процессов. Такой подход связан, в частности, с формированием новых научных понятий и терминов, ведущим среди которых выступает термин «экологическая система».

Совместно живущие особи различных видов обмениваются веществом, энергией, информацией между собой и окружающей их средой. Такая сеть разнообразных вещественно-энергетических взаимосвязей объединяет отдельные организмы и окружающую их среду в сложные экологические системы. К экологическим системам относят все живые системы вместе с окружающей их средой, начиная от отдельной популяции и кончая биосферой. Все они являются открытыми системами.

Наименьшей системой, в которой проявляются экологические закономерности, является популяция — совокупность организмов определенного типа, которые взаимодействуют и обмениваются генофондом между собой. Отдельные популяции в «чистом виде» выделить трудно, поскольку в естественной природе они объединяются в более обширные сообщества живых систем и активно взаимодействуют с косными факторами среды.

Более высокий уровень организации экосистем (в первую очередь организации сообществ организмов) образуют биоценозы, или совокупность растений, животных и микроорганизмов в локальной среде обитания. В совокупности с факторами окружающей среды (почвой, микроклиматом, гидрологией местности и т. п.) биоценозы, взаимодействуя с ними, образуют новые системы — биогеоценозы (термин введен академиком В. Н. Сукачевым в 1940 г.). Английский ботаник А. Тенсли в 1935 г. предложил для таких систем название «экосистемы»; это название представляется менее удачным, поскольку удобнее это название использовать для всех уровней экологических систем, а не только для биогеоценозов.

Еще более крупным системным образованием выступает биом, в составе которого — различные группы организмов и среда их обитания в конкретных природных зонах; к примеру, в умеренном поясе — степь, тайга, а в аридном поясе (от лат. aridus — сухой) — пустыня. Фактически биом выступает в качестве высшей единицы в системе классификации экосистем.

Наконец, биосфера охватывает, по В. И. Вернадскому, все живое, биокосное и косное вещество на поверхности Земли. Поскольку биосфера может развиваться за счет энергии Солнца, она является открытой системой. Поэтому она может рассматриваться как экосфера. Этот термин впервые предложен Л. Колом (1958), который понимает под экосферой «совокупность всего живого на Земле вместе с его окружением и ресурсами»¹. Учитывая роль человека в современной биосфере, Т. А. Акимова, А. П. Кузьмин и В. В. Хаскин предлагают понимать экосферу как арену взаимодействий человека и природы: экосфера = современная биосфера + техносфера^[1][2].

Экосфера — совокупность всего живого на Земле вместе с его окружением и ресурсами (Л. Кол, 1958).

Изучая биоценозы, экология выявила особый способ взаимодействия организмов в экосистемах — коэволюцию. Именно коэволюция обеспечивает условия взаимного сосуществования и повышения устойчивости биоценоза как системы. Для изучения структуры, функционирования и выявления факторов устойчивости экологических систем необходим анализ тех трофических (от греч. trophe — нища) связей, благодаря которым различные популяции взаимодействуют друг с другом. В механизме трофических связей выделяются следующие группы организмов:

• • продуценты (от лат. producens — производящий) — организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических, используя внешние источники энергии;
• • консументы (от лат. consume — потребляю) — организмы, преобразующие органические вещества из одной формы в другую; консументы первого порядка — фитофаги (растительноядные); консументы второго порядка — зоофаги, питающиеся исключительно растительноядными; консументы третьего порядка — плотоядные животные; консументы четвертого порядка — паразиты, которые живут за счет организма хозяина;
• • редуценты (от лаг. reducens — возвращающий), или деструкторы, — разрушители органического вещества до неорганического; они разлагают выделения животных, микроорганизмов, мертвые организмы и минерализуют их до воды, двуокиси углерода и минеральных элементов. Продукты минерализации вновь используются продуцентами.

Таким образом, все живые организмы могут быть разделены на три функциональные группы в соответствии с тремя типами процессов, в которые вовлечено органическое вещество: создание, преобразование и разрушение.

Другая классификация связана с экологическими ролями различных организмов. Так, в зависимости от того, питаются ли организмы самостоятельно за счет преобразования неорганической энергии, или же поедают другие живые организмы, в экосистемах могут быть выделены два уровня:

• • автотрофный уровень (от греч. autos — сам) образуют организмы, способные самостоятельно перерабатывать простые неорганические вещества в сложные органические соединения;
• • гетеротрофный уровень (от греч. heteros — другой) образуют организмы, которые питаются другими организмами или их остатками и получают энергию с «другим (чужим)» органическим веществом;
• • иногда выделяют также миксотрофов (греч. mixis — смешение и trophe — питать) — виды организмов, для которых характерно как авто-, так и гетеротрофное питание (некоторые бактерии и водоросли).

Существует два главных способа автотрофного питания. Первый — фотосинтез (греч. photos — свет и synthesis — соединение), при котором энергия света в растениях, содержащих хлорофилл, превращается в энергию химических связей глюкозы, синтезированной из неорганических веществ. Именно поэтому автотрофный уровень часто называют зеленым поясом, который образуют растения.

Второй способ — хемосинтез (греч. chemeia — химия), или образование органических веществ из окиси углерода за счет энергии окисления неорганических веществ. Так, серобактерии окисляют сероводород с образованием серы или серной кислоты.

Еще один критерий классификации связан с состоянием поедаемых организмов — являются они живыми либо мертвыми:

• • фаготрофы (от лат. phaqos — пожирающий) — гетеротрофные животные, питающиеся другими живыми организмами, растительными и животными;
• • сапротрофы (от лат. sapros — гнилой) — организмы, получающие энергию путем разложения мертвых тканей или растворенного органического вещества.

Гетеротрофные организмы разделяют на биофагов, поедающих живые организмы, и сапрофагов, питающихся мертвыми тканями.

Таким образом, в сообществе живых организмов от звена к звену циркулируют питательные вещества и энергия.

В экосистемах постоянно взаимодействуют автотрофные и гетеротрофные подсистемы организмов, что приводит к круговороту вещества в природе, несмотря на то что зачастую организмы разделены в пространстве. Так, основные гетеротрофные процессы протекают на поверхности земли, где обитают наземные животные, автотрофные процессы могут протекать значительно выше — на уровне листвы высоких деревьев, где растения получают солнечный свет (табл. 16.3).

Разрыв между процессами производства и потребления веществ может существовать не только в пространстве, но и во времени. Благодаря такому разрыву в недрах планеты образовались огромные запасы ископаемого топлива.

Таблица 163

Сравнение двух экосистем

Источник: Одум Ю. Экология. В 2 т. М.: Мир, 1986. Т. 1. С. 30.

• [1] Цит. но: Акимова Т. А., Кузьмин А. П., Хаскин В. В. Экология. Природа — Человек —Техника: учебник для вузов. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. С. 26.
• [2] Там же.