Экосистема, биогеоценоз и их характеристики

Понятие об экосистемах и их границах; правила функционирования экосистем; компоненты и состав экосистем; цепи питания и типы экосистем; смена биоценозов (экологическая сукцессия)

В природе все виды растений и животных распределяются не случайно, а всегда образуют определенные, сравнительно постоянные комплексы — природные сообщества. Такие комплексы взаимосвязанных видов, обитающих на определенной территории с более или менее однородными условиями существования, образуют биоценоз.

Биоценоз неразрывно связан с факторами неживой природы (почва, влажность, температура, климат в целом), образуя вместе с ними устойчивую систему, между компонентами которой протекает круговорот веществ. Такой устойчивой саморегулирующейся системе академик В. Н. Сукачев в 1940 г. дал название биогеоценоз.

Свойства биогеоценозов:

• 1) целостность — это взаимосвязь живых организмов друг с другом и со средой обитания за счет потоков энергии и вещества;
• 2) устойчивость — это свойство биогеоценозов поддерживать равновесие при любых изменениях окружающей среды (т. е. переносить неблагоприятные условия и сохранять способность размножаться);
• 3) самовоспроизведение — способность организмов к размножению, наличие в среде пищи и энергии, воссоздание среды обитания живыми организмами;
• 4) саморегуляция — свойство различных популяций регулировать свою численность в зависимости от условий жизни и от численности других популяций.

В последнее время такие системы называют экосистемами.

Экосистема — основное понятие экологии. Термин был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тенсли. Экосистемы — это любая совокупность взаимодействующих организмов и условий среды. Между экосистемами, как и между биогеоценозами, нет четких границ, одна экосистема постепенно переходит в другую.

Рассмотрим пример саморегулирующейся системы, которая является частью другой, более крупной экосистемы. Муравейник в лесу — это организованный коллектив, где распределены обязанности и все функции четко увязаны со средой: одни (строители) — добывают стройматериалы из лесного опада, другие «доят» тлей, добывая нектар для малышей (пример взаимопомощи и взаимозависимости), третьи следят за личинками, не выходя за пределы муравейника. Информация о любых изменениях в окружающей среде сразу же становится известна всей семье, и немедленно принимаются меры для сохранения устойчивости этой системы. Саморегуляция любой экосистемы проявляется в том, что численность особей каждого вида поддерживается на определенном, относительно постоянном уровне.

Экосистема муравейника входит в состав лесного биогеоценоза (экосистемы лиственного или хвойного леса). Экосистема леса, если он расположен на берегу озера или вблизи реки, входит в состав водосборного бассейна, который представляет собой часть географического ландшафта.

Географический ландшафт — это часть биосферы. Таким образом, все экосистемы земного шара связаны между собой через атмосферу и Мировой океан, поскольку через них происходит постоянный круговорот энергии, продуктов жизнедеятельности, и составляют единое целое — биосферу.

Масштабы биогеоценотических группировок (экосистем) различны — от сообществ подушек лишайников на стволах деревьев или разлагающегося пня (это микросообщества), до населения целых ландшафтов: лесов, степей, пустынь и т. п. Но для всех форм сообществ, больших и малых, характерны общие законы функционирования и развития.

1. Сообщества всегда состоят из готовых частей (представителей отдельных видов или комплексов взаимозависимых видов).

Няппимрп:

• 2. Части сообщества могут быть заменяемы. Один вид (или комплекс видов) может вытеснить другой со сходными требованиями к условиям обитания и занять его место. Например, одни виды злаков на лугу или в степи легко могут быть заменены другими: ковыль заменяется типчаком и т. п.
• 3. Интересы многих видов в биоценозе прямо противоположны. Тем не менее виды-антагонисты существуют в рамках единого сообщества, например, хищник — жертва.
• 4. Сообщества основаны на количественной регуляции численности одних видов другими. Например, численность травоядных зависит, с одной стороны, от количества растительной пищи, а с другой — от количества хищников.
• 5. Предельные размеры системы ограничиваются не внутренней наследственной программой, а внешними причинами. Так, биоценоз сосняка может занимать небольшой участок среди болот или простираться на огромной территории, если внешние условия однородны.

Биоценозы могут быть бедны или богаты видами. Видовая структура биоценоза — это разнообразие видов в нем и соотношение их численности или массы.

Так, в полярных арктических пустынях и северных тундрах при крайнем дефиците тепла, в безводных жарких пустынях, в загрязненных сточными водами водоемах сообщества сильно обеднены видами, так как один или несколько факторов среды сильно отклоняются от оптимального уровня. Здесь выживают виды с широкими пределами выносливости.

И наоборот, везде, где условия абиотической среды приближаются к оптимальным, возникают сообщества, чрезвычайно богатые видами. Примеры таких сообществ — тропические леса, коралловые рифы с их многообразным населением, долины рек в жарких районах и т. д.

При совместном произрастании растения, разные по высоте, занимают четко определенный ярус. Ярусность позволяет множеству растений существовать на одной территории и максимально использовать световые ресурсы среды.

Какие же компоненты входят в каждую экосистему?

Во-первых, живые организмы (их называют еще биотой).

Во-вторых, неживые (абиотические) факторы: атмосфера, вода, питательные элементы, свет и др.

В-третьих, мертвое органическое вещество, содержащееся в почве, детрит.

Все живые организмы экосистемы взаимодействуют между собой, обмениваясь веществом и энергией. Без постоянного поступления свободной энергии извне ни одна живая система не может существовать в течение сколько-нибудь продолжительного времени.

По способу питания и запасания энергии все организмы делятся на автотрофов (от греческих аутос — сам, трофа — питание), гетеротрофов (гетерос — другой) и миксотрофов (микс — смесь).

Автотрофы — это организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических за счет различных источников энергии. Автотрофными организмами создается вся первичная биомасса, или биологическая продукция, на Земле. В зависимости от источников энергии различают фотоавтотрофов и хемоавтотрофов. Практически единственным источником свободной энергии для Земли является солнечный свет. Фотоавтотрофы используют энергию солнечного света в процессе фотосинтеза, синтезируя из углекислого газа и воды органические вещества. К ним относятся все зеленые растения, сине-зеленые водоросли, некоторые бактерии, содержащие бактериохлорофилл. Хемоавтотрофы получают энергию вследствие окисления соединений серы и железа. Эта группа организмов немногочисленна, к ним относятся серобактерии и железобактерии. Очень важна их роль в экосистемах подземных вод.

Гетеротрофы — это организмы, которые не способны использовать непосредственно энергию Солнца и живут за счет энергии, запасенной автотрофами. Они используют органические вещества в процессе питания, разлагая их в конечном счете вновь до углекислого газа и воды, а высвобожденная энергия расходуется на различные процессы жизнедеятельности организмов.

Наиболее просто устроенные гетеротрофы разделяются на сапротрофов, питающихся мертвой органикой, и паразитов — питающихся живой.

У более сложно организованных организмов, например насекомых, разделение идет по типу пищи: копрофаги питаются фекалиями, детритофаги — растительными остатками, фитофаги — растениями, энтомофаги — другими насекомыми, хищники — животными более высоких систематических групп.

Млекопитающие делятся на растительноядных, падалеедов, хищников.

Миксотрофы — это одноклеточные организмы смешанного типа питания. Они могут использовать энергию света для синтеза органических веществ из неорганических (как фототрофы) и одновременно — органические вещества среды выращивания (как гетеротрофы). Таким образом, они одновременно являются и фототрофами, и гетеротрофами. К ним относятся одноклеточные водоросли эвглена и хлорелла.

Внутри живого компонента любой экосистемы можно выделить по типу питания три группы организмов:

Консументы (от греческого консуме — потребляю) — это животные гетеротрофы, потребляющие готовые органические вещества, которые синтезировали продуценты. Консументы I порядка могут использовать органические вещества растений, т. е. продуцентами питаются травоядные животные (грызуны, зайцы, овцы и т. д.), а также паразиты на растениях — грибы и другие растения. Их, в свою очередь, поедают консументы И порядка, которыми могут питаться консументы III порядка (плотоядные животные — лисы, волки, медведи, коршуны и т. д.). Все они используют энергию химических связей, запасенную в органических веществах продуцентами.

Редуценты — гетеротрофные организмы (бактерии, грибы, дождевые черви, насекомые и т. д.), разрушающие и минерализующие мертвые органические остатки. Главная их экологическая роль состоит в превращении органических веществ в неорганические.

В любом биогеоценозе очень скоро иссякли бы все запасы неорганических соединений, если бы они не возобновлялись в процессе жизнедеятельности организмов. В результате дыхания всех организмов, разложения трупов животных и растительных остатков (которое осуществляется редуцентами) органические вещества превращаются в неорганические соединения, которые снова возвращаются в атмосферу и почву и снова могут быть использованы автотрофами.

Но для переработки трупов редуцентам нужно время, поэтому в экосистеме всегда есть детрит — запас мертвого органического вещества. Детрит — это опад листьев на поверхности лесной почвы (сохраняется 2—3 года), ствол упавшего дерева (5—10 лет), гумус почвы (сохраняется сотни лет), отложения органического вещества на дне озера (сапропель) и торф на болоте (сохраняется тысячи лет). Наиболее долго сохраняющимися детритами являются каменный уголь и нефть.

Соотношения между продуцентами, консументами и редуцентами, а также соотношения консументов разных порядков образуют экологическую структуру сообщества. Благодаря взаимодействию между этими организмами возникает главное свойство экосистемы — способность к саморегулированию.

Все три компонента тесно связаны в экологических системах. Организмы разных трофических групп (т. е. с разными способами питания) участвуют в процессе передачи пищи и энергии (рис. 8), т. е. образуют пищевые цепи.

Продуценты составляют начало всех пищевых цепей. Консументы, поедая продуцентов, передают органические вещества от одного звена пищевой цепи к другому и соответственно делятся на несколько групп по порядку нахождения в цепи. Редуценты как бы заканчивают круговорот веществ, завершают пищевые цепи, образуя неорганические вещества для вступления в новый цикл. Однако в реальных условиях в экосистемах различные цепи питания перекрещиваются между собой, образуя разветвленные сети.

В биоценозах различают два типа пищевых цепей: пастбищную (iвыедания) — рис. 9 и 10 и детритную (разложения) — рис. 11.

Например: листьями деревьев питаются гусеницы, ими — птицы, последними — более крупные птицы-хищники. Это будет цепь выедания. Но наряду с цепями передачи энергии через живое органическое вещество (продуцент — консумент) существуют детритные пищевые цепи, где используется мертвое органическое вещество. Так, при разрушении листового опада работает целый конвейер, в котором участвуют животные, грибы, микроорганизмы, дождевые черви, почвенные микроорганизмы.

Детритом — мертвым органическим веществом — питаются жукмертвоед, перловица, мотыль, дафния (в водоеме).

На суше цепь питания обычно состоит из 3—4 звеньев (рис. 9). В водной среде цепь длиннее (рис. 10). При каждом переносе энергии от одного звена к другому большая ее часть (80—90%) рассеивается в виде тепла, поэтому число звеньев в цепи не превышает А—5.

Почти все животные (за исключением редких, специализированных видов) используют разнообразные источники пищи. Поэтому при выпадении одного звена в цепи не происходит нарушения в системе. Соединение многих трофических цепей образует пищевую сеть экосистемы (рис. 12), а значительные изменения в любом из ее звеньев неизбежно отразятся на состоянии экосистемы в целом. Чем больше видовое разнообразие и богаче пищевые сети, тем устойчивее биоценоз.

Расположение звеньев пищевой цепи в определенной последовательности носит название экологической пирамиды. Например, на одном гектаре луга обитает несколько миллионов растений, около миллиона растительноядных насекомых, несколько сотен тысяч хищных насекомых, пауков и не более десятка птиц. Таким образом, образуется пирамида (рис. 13), основание которой в миллион раз шире, чем вершина.