Биогеоценозы, экосистемы и биосфера

Вспомните

• что называют экологической нишей;

• от чего зависит состав биоценоза.

 

Биогеоценоз и экосистема. Каждый живущий организм связан с окружающей средой потоками вещества и энергии, проходящими через его тело. Потребляя и выделяя вещество и энергию, живые организмы влияют на среду своего обитания уже тем, что живут. Результаты жизнедеятельности каждого отдельного существа могут быть невелики и малозаметны. Но все вместе они сливаются в мощную силу, преобразующую земную поверхность. Выдающийся отечественный учёный-естествоиспытатель, создатель ряда наук о Земле и учения о биосфере В.И. Вернадский писал, что на Земле нет силы более могущественной по своим последствиям, чем живое вещество, как он назвал все живые организмы, взятые в целом.

Владимир Иванович Вернадский (1863 – 1945)

 

В биоценозах все популяции видов связаны друг с другом сложной пищевой сетью. Энергия поступает в организмы животных из растений, которые черпают запасы вещества и энергии из неживой природы. В итоге любой биоценоз представляет некое единство со своим биотопом, создавая целостную систему, которую называют экосистемой. Организованная в экосистемы жизнь на Земле продолжается уже миллионы лет, не прерываясь.  Экосистемы бывают разных масштабов, наземные и водные: пруд с его обитателями, озеро, море, океан, небольшой лес, целая тайга, степь, пустыня – всё это природные экосистемы. Аквариум, сад, пшеничное поле – экосистемы, созданные человеком.

Наземные экосистемы, связанные с участками однородной растительности, называют биогеоценозами. Таковы, например, ельник кисличный, ельник зелёномошный, березняк разнотравный, сфагновое болото, луг, ковыльная степь и т. д.

В названии «биогеоценоз» подчёркивается тесная взаимосвязь («ценоз») живых («био-») и неживых («гео») компонентов на определённом участке земной поверхности. Учение о биогеоценозе и сам термин создал российский учёный-ботаник В.Н. Сукачёв.

Экосистем на Земле очень много. Существенным свойством каждой из них является круговорот веществ и потоки энергии. Из-за большой роли живых организмов круговорот веществ в экосистемах часто называют биологическим круговоротом веществ.

Биологический круговорот веществ является главным условием существования экосистемы.

Структура экосистем. Круговорот веществ в экосистеме осуществляется благодаря наличию в ней четырёх неотъемлемых компонентов: 1) абиотического компонента – запаса биогенных веществ и солнечной энергии; 2) продуцентов, создающих органическое вещество; 3) консументов, потребляющих органическое вещество; 4) редуцентов, разлагающих мёртвое органическое вещество.

Биогенными веществами называют минеральные соединения, используемые для синтеза органических веществ. Продуценты – это организмы, создающие эти органические вещества и запасающие в них лучистую энергию Солнца. Обычно это фотосинтезирующие зелёные растения и некоторые прокариоты (пурпурные и зелёные бактерии, цианобактерии). Консументы – это переработчики биологической продукции, в основном животные, а также грибы и некоторые паразитические и насекомоядные растения. Редуценты – организмы, разлагающие мёртвые остатки растений, животных и других представителей живого мира до минеральных соединений (углекислого газа, воды и минеральных солей). В роли редуцентов выступают по преимуществу бактерии, а также грибы и некоторые животные (простейшие).

Совместная деятельность разных по экологическим функциям групп организмов является двигателем биологического круговорота веществ в экосистеме.

Круговорот веществ поддерживается в экосистемах (биогеоценозах) постоянным притоком всё новых и новых порций энергии. Хотя по закону сохранения энергии она не исчезает бесследно, а лишь переходит на одной формы в другую, круговорота энергии в экосистемах быть не может. Расходуясь на жизнедеятельность организмов, усвоенная ими энергия постепенно переходит в тепловую форму и рассеивается в окружающем пространстве. Таким образом, деятельность экосистемы напоминает круговое вращение мельничного колеса (круговорот веществ) в потоке воды (поток энергии).

Учение о биосфере. В.И. Вернадский разработал учение, которое характеризует биосферу не только как область распространения жизни на Земле, но и как часть планеты, целиком преобразованную жизнью. По Вернадскому, биосфера – это часть геологических оболочек Земли – атмосферы, литосферы и гидросферы, за экосистемы селённая и преобразованная живыми организмами. Границы биосферы определяют условия, которые обеспечивают возможность существования жизни, следовательно, одновременно они служат и границами распространения жизни на Земле.

В своём учении, которое он изложил в 1926 г. в книге «Биосфера», Вернадский рассматривал биосферу как единую систему планетарного, космического характера, важной особенностью и главной геологической силой которой является жизнь – «живое вещество», не просто населяющее био- сферу, а преобразующее облик Земли.

В биосфере учёный выделял четыре функционально разных «вещества» – компоненты, которые характеризуют состав и свойства биосферы как глобальной системы. Среди них: 1) живое вещество – совокупность всех живых организмов; 2) биогенное вещество – совокупность всех природных объектов, возникших в результате жизнедеятельности организмов (кислород атмосферы, уголь, нефть, торф, мел, железные руды, сера); 3) косное вещество – все компоненты неживой природы, сформированные без участия живых организмов (воздух, вода, свет, гранит); 4) биокосное вещество – совокупность продуктов, возникших от взаимодействия жизнедеятельности организмов и косных объектов (почва, ил, горючие сланцы). При этом Вернадский особенно большое внимание уделял роли живого вещества в биосфере. Он определил особенности свойств и функции живого вещества.

В качестве особенностей живого вещества Вернадский называет следующие: несмотря на большое разнообразие организмов, живое вещество проявляется в биосфере как физико-химическое единство; все химические реакции в живом веществе протекают значительно быстрее, чем в других веществах планеты; в возникших химических связях живого вещества заключено огромное количество солнечной энергии, чего нет в кос- ном веществе; живое вещество, в отличие от косного, увеличивает и накапливает биологическую массу и изменяет среду, делая её более пригодной для жизни.

Важнейшими функциями биосферы Вернадский называет: газовую (современный газовый состав атмосферы, обусловленный деятельностью живых организмов); геохимическую или окислительно-восстановительную, вовлекающую химические элементы Земли в живые организмы и возвращающую их в процессе обмена веществ и биологического круговорота снова в окружающую среду; концентрационную – избирательное накопление химических элементов для построения тел живых существ, благодаря чему произошло накопление залежей полезных ископаемых, известняков, нефти, углей; транспортную – перенос вещества против силы тяжести (по вертикали вверх, например, с ростом растений) и в горизонтальном направлении (путём «растекания»).

В ходе эволюции биосферы функции живого вещества не изменились.

Вернадский считал, что круговороты важнейших биогенных элементов в биосфере создаются организмами. Благодаря им химические вещества оболочек Земли попеременно переходят из неживой природы в живое вещество, а из живого вещества вновь в неживую природу. Поэтому биосферу называют также глобальной экосистемой. Биологический круговорот зародился с момента появления первых организмов (коацерватов, или протобионтов) и продолжается уже в течение миллиардов лет. Так поддерживается жизнь и существование биосферы.

Биосфера – закономерный продукт эволюции планеты. Вместе с тем биосфера является ареной жизни и хозяйственной деятельности человека. В своём глобальном проявлении биосфера как глобальная экосистема аккумулирует с помощью растений энергию Солнца и трансформирует её в живые системы, обеспечивая непрерывность и многообразие жизни.

 

1. Как соотносятся между собой понятия «биоценоз», «экосистема» и «биогеоценоз»?

2. Каковы основные компоненты экосистемы?

З. Что является главным условием существования экосистем?

4. Почему биосферу называют глобальной экосистемой?

 

§56 Развитие и смена биогеоценозов

Вспомните

• каковы главные структурные компоненты биогеоценоза (экосистемы);

• какое значение в биосфере имеют круговорот веществ и поток энергии.

 

Саморазвитие биогеоценозов. Биогеоценозы (наземные экосистемы) со сбалансированным круговоротом веществ могут существовать бесконечно долго, пока внешние силы не выведут их из равновесия. И действительно, темнохвойная тайга, ковыльные степи, широколиственные дубравы занимали свои места тысячелетиями после последнего оледенения, и лишь деятельность человека за последнее столетие сильно изменила эти ландшафты.

Вместе с тем в природе существует множество нестабильных биогеоценозов, направленно изменяющихся даже без какого-либо вмешательства извне. Мелеют и зарастают неглубокие озёра, на месте мокрого луга вскоре появляются заросли кустарников, лишайники на скалах постепенно заменяются мхами, а затем и травами, и под ними формируется тонкий слой почвы. Всё это примеры нестабильных экосистем, сообщества которых быстро меняют состав видов.

Развитие биогеоценоза происходит не так, как развитие организма. Рост и усложнение организма определяются его наследственностью, т. е. заложенными в зиготе генами. Биогеоценозы возникают по другому принципу. Они формируются на основе случайного (самопроизвольного) подбора видов, имеющихся в окружающей среде и способных существовать в данных условиях. Возникающий таким путём состав видов не существует долго, а изменяется. Процесс изменений идёт до тех сообщество, пор, пока не установится сообщество, способное поддерживать сбалансированный круговорот. Такой процесс саморазвития биогеоценоза называют сукцессией (лат. successio – «преемственность»).

Сукцессии могут быть первичными и вторичными, т. е. восстановительными.

Первичные сукцессии. Первичные сукцессии начинаются с заселения обнажившихся участков территории – осыпей, отмелей, голых скал, сыпучих песков или отвалов, созданных человеком. Эти безжизненные участки сначала занимают виды, которые способны быстро расселяться. Заносятся ветром и водой их семена, споры, прилетают насекомые, забегают мелкие грызуны, и некоторые из них приживаются на данном участке. Сообщества, которые образуются из таких случайных видов, называют пионерными. Они, как правило, малоустойчивы, а их виды, успев частично изменить среду, вскоре вытесняются новыми вселенцами.

На пионерной стадии сообщество не сбалансировано. В нём ещё не сформировались сложные цепи питания, не заняты все экологические ниши, растительная продукция не полностью используется консументами, редуцентами и накапливается в экосистеме. Новые виды, поселившиеся здесь, тоже изменяют среду, делая её непригодной для себя, и потому вскоре вытесняются конкурентами. В результате происходит очередная замена одного биогеоценоза качественно другим, т. е, происходит смена биогеоценозов. Возникающие на этом этапе пионерные сообщества называют также незрелыми.

Смена биогеоценозов – это замена одного биогеоценоза другим, качественно отличающимся от предыдущего.

Постепенно, по мере внедрения популяций других видов, сообщество становится всё более устойчивым. В нём нарастает видовое разнообразие, происходит всё большее наполнение сообщества представителями разных жизненных форм и расхождение видов по экологическим нишам и ярусам, ослабляется конкуренция, увеличивается значение взаимовыгодных отношений. В сообществе накапливается всё больше видов с длительными циклами развития. Многочисленные паразиты и хищники регулируют количество своих жертв, не допуская вспышек их численности. Вся продукция, созданная растениями, идёт на поддержание огромной армии животных, грибов и бактерий. В одних цепях питания перерабатываются живые части растений и животных, в других – мёртвая органическая масса. Оба процесса уравновешивают друг друга. Биогеоценозы становятся устойчивыми, потому что изменения среды, вызываемые одними видами, компенсируются деятельностью других. Такие экосистемы называют зрелыми, или конечными и коренными.

Круговорот веществ в зрелых биогеоценозах сбалансирован.

Вторичные сукцессии. Вторичные, или восстановительные, сукцессии начинаются после частичного нарушения экосистем. Такие нарушения происходят, например, после лесного пожара, рубки леса, вспашки целины. В этих случаях уничтожаются не все элементы экосистемы, остаётся сформированная живыми организмами почва, сохраняются семена, корневища, споры, выживают некоторые виды животных. Восстановительные сукцессии протекают несколько иначе, чем первичные, но тоже приводят к формированию стабильных, зрелых биогеоценозов.

Время первичных сукцессий исчисляется в природе сотнями лет, вторичные происходят быстрее. Например, ельники в европейской части России после рубок восстанавливаются за 60 – 80 лет, проходя стадии временных сообществ – кустарниковых зарослей и мелколиственных лесов.

Экологические сукцессии являются механизмами развития, самоподдержания и восстановления природных экосистем.

Значение знания о смене сообществ. Понимание законов сукцессий важно для многих сторон деятельности человека. Следует знать, что биогеоценоз не может одновременно быть высокоустойчивым и накапливать при этом избыток первичной продукции. Создавая агроэкосистемы (поля, сады и огороды), надо помнить, что они крайне неустойчивы и требуют постоянной поддержки человека: вспашки, удобрений, посевов, полива и т. п. Эта неустойчивость проявляется и во вспышках численности вредителей, и в атаках сорняков, и в эрозии почв, и в исчерпании запасов минеральных соединений. Если на следующий год не засеять поле вновь, оно преобразуется в пустошь, а затем в ходе сукцессии – в луг или кустарниковые заросли.

Чтобы не подрывать стабильность биогеоценоза и получать первичную продукцию, люди должны так организовывать ландшафты, чтобы они включали и зрелые, и незрелые экосистемы. Старый лозунг Превратим всю Землю в цветущий сад! не выдержал экологической проверки. Сад, поле – пионерные и нестабильные экосистемы, и у человечества не хватит сил бороться против законов природы. Сады, поля должны чередоваться в ландшафте с лесами, перелесками, задернованными участками, водоёмами и другими типами природных биогеоценозов, обеспечивая всё то разнообразие, на котором строится устойчивость природной среды в биосфере.

 

1. Как проявляются сукцессии в природе?

2. По каким причинам происходит саморазвитие сообществ?

3 Подумайте и ответьте на вопросы.

• Обеднеет или обогатится природа, если предположить, что все неустойчивые сообщества будут заменены устойчивыми?

• Чем выгодны для человека незрелые сообщества?