Экосистемы. Характеристика экосистемы

Живые организмы в природе объединены в сообщества, приспособленные к определенным условиям существования. Такое сообщество взаимосвязанных живых организмов, называют биоценозом, а совокупность всех абиотических факторов, определяющих условия их существования называют биотопом. Биоценоз и биотоп образуют биогеоценоз. Термин биогеоценоз в 1942 г. был предложен академиком В.Н.Сукачевым, под биогеоценозом понимают исторически сложившуюся, устойчивую, саморегулирующуюся систему, образованную живыми организмами, приспособленными к совместной жизни на определенной территории с более или менее однородными условиями существования.

Одновременно английским ботаником А.Тенсли был предложен термин экосистема. Под экосистемой он понимал и каплю воды с микроорганизмами, в ней обитающими, и аквариум, и природный водоем и планету Земля. Многие ученые ставят знак равенства между понятиями биогеоценоз и экосистема. Но многие не считают эти термины синонимами, понимая под биогеоценозом конкретное природное сообщество, а экосистема — понятие более размытое, «безразмерное». То есть любой биогеоценоз является экосистемой, но не всякая экосистема может считаться биогеоценозом.

Для существования любого биогеоценоза необходима энергия. Источником энергии для большинства биогеоценозов является солнечный свет, энергия которого используется фототрофными организмами для образования органических молекул. Некоторые экологические системы существуют в полной темноте (морское дно, куда не доходит солнечные свет, пещеры). Источником энергии для их существования будет попадающее в эту экосистему органическое вещество погибших или живых организмов. Кроме того, некоторые экосистемы существуют за счет хемотрофных организмов, способных образовывать органическое вещество, используя энергию окисления неорганических соединений.

Основу биоценоза составляют автотрофные организмы — продуценты (образователи) органического вещества (фототрофные или хемотрофные). Сообщество растений называют фитоценозом, животных — зооценозом. В процессе фотосинтеза происходит образование органического вещества, за счет которого питаются гетеротрофы. Гетеротрофные организмы делятся на две группы: консументы — потребители и редуценты — разрушители органического вещества. Консументы 1-го порядка — растительноядные, консументы 2-го порядка — плотоядные животные. Редуценты потребляют неживое органическое вещество, разлагая его до углекислого газа и минеральных веществ. Мелкие консументы, питающиеся неживыми органическими веществами — дождевые черви, жуки-мертвоеды, навозники и др., относятся к консументам - сапротрофам.

Живые организмы биоценоза связаны в цепи питания. Простой пример пищевой цепи: растительность — насекомое, питающееся растительностью — хищное насекомое — насекомоядная птица — хищная птица. Но растительноядное насекомое питается на нескольких видах растений, хищное насекомое — многими видами насекомых, насекомоядная и хищная птицы — многими видами животных. Таким образом, цепи питания образуют пищевые сети, сети питания.

Пищевые цепи разделяют на два типа. Цепь выедания (пастбищная) начинается с продуцентов, идет к консументам 1-го, 2-го и заканчивается консументами 3-го порядка. Цепь разложения (детритная) цепь начинается от растительных и животных остатков, экскрементов животных и идет к мелким животным и микроорганизмам (детритофагам), которые ими питаются.

Большая часть энергии, заключенной в пище, выделяется в результате энергетического обмена и используется для поддержания всех жизненных процессов, меньшая часть используется для прироста биомассы и часть энергии выводится из организма вместе с неусвоенной пищей, выделенной в виде экскрементов. Запас энергии, накопленный зелеными растениями, стремительно иссякает и вся энергия рассеивается в форме тепла. Поэтому пищевая цепь обычно включает всего 4—5 звеньев. Например, если с уровня на уровень переходит около 10% биомассы, то на пятый уровень (первый уровень – растения) перейдет всего 0,005% от массы, образованной при фотосинтезе. У продуцентов (первый уровень) прирост биомассы 50% (50% будет израсходовано при дыхании), прирост биомассы второго уровня составит – 5%, третьего 0,5%, четвертого уровня — 0,05%, пятого — 0,005%.

Рис. 376. Упрощенная схема переноса веществ (сплошная линия) и энергии (пунктирная линия) в процессе биологического круговорота.

В любом биогеоценозе происходит круговорот веществ и осуществляется однонаправленный поток энергии. Продуценты извлекают из атмосферы углекислый газ, из почвы — воду и минеральные соли, и, используя энергию солнечного света, образуют органическое вещество. В дубраве, например, около 1% солнечной энергии преобразуется в химические связи образованного органического вещества. Затем химические элементы, входящие в состав органических молекул, движутся по цепям питания.

В конце концов, при окислении органических веществ углекислый газ возвращается в атмосферу, непереваренные остатки пищи и погибшие организмы разлагаются с помощью редуцентов, которые завершают круговорот химических элементов (рис. 376).

Солнечная энергия переходит в энергию химических связей образованного органического вещества растений, но при дыхании растений около 50% органического вещества окисляется, остальные 50% — прирост биомассы. Например, ежегодный прирост биомассы в дубраве составляет около 10 т/га, около 6 т — прирост надземных органов, 4 т приходится на прирост подземных органов.

Когда растительность поедается консументами, происходит окисление органического вещества растений и выделение энергии, часть которой выделяется в форме тепла, другая часть, от 5 до 20% запасается в образованном органическом веществе консументов 1-го порядка. На прирост биомассы консументов 2-го порядка пойдет также около 5 — 20% от съеденной пищи. Если для простоты взять на прирост биомассы 10% от съеденной пищи, то дельфин массой 50 кг съел 500 кг рыбы, которой понадобилось 5000 кг зоопланктона, а в основании этой экологической пирамиды будут находиться съеденные зоопланктоном 50000 кг фитопланктона. Это правило экологической пирамиды — биомасса каждого последующего уровня в пищевой цепи прогрессивно уменьшается — верно для большинства экосистем. Различают пирамиду чисел, когда сравнивается число

осо

Рис. 377. Упрощенная экологическая пирамида биомассы.

бей на каждом пищевом уровне, пирамиду биомассы — если сравнивается биомасса каждого уровня, пирамиду энергии — при сравнении количества энергии в пище каждого уровня (рис. 377).

Но, в конце — концов, происходит окисление всех образованных органических молекул, и вся энергия рассеивается в форме тепла. Так осуществляется однонаправленный поток энергии.

Для любого биогеоценоза характерна саморегуляция. Численность популяций любого вида в биогеоценозе подвергается изменениям, но эти изменения обычно закономерны и связаны или с сезонными изменениями абиотических факторов, или вызываются биотическими факторами.

Если численность какого-либо вида начинает возрастать, возрастает численность хищников и паразитов, питающихся за его счет, а снижение численности приведет к снижению численности популяций тех видов, для которых он является основным пищевым ресурсом. Таким образом, численность популяций каждого вида за счет саморегуляции поддерживается на оптимальном для данных условий уровне. Причем, чем больше видов входит в состав биогеоценоза, тем сложнее сети питания, тем он устойчивее. Выпадение одного звена в такой экосистеме обычно не приводит к её гибели.

За единицу времени растения в процессе фотосинтеза создают определенную биомассу. Это валовая первичная продукция (ВПП). Около 50% этой биомассы расходуется самими растениями в процессах дыхания, 50% сохраняется в виде прироста биомассы. Эта часть и составляет чистую первичную продукцию (ЧПП) экосистемы. Прирост за единицу времени биомассы консументов составляет вторичную продукцию экосистемы.

Биологическая продуктивность экосистемы — производительность экосистемы, измеряемая за единицу времени на единицу площади. Самая высокая продуктивность у коралловых рифов, тропических лесов, заболоченных местностей. Самая низкая продуктивность в тундре, горных степях, большей части морских экосистем.

Введение в экосистему нового вида может привести к серьезным ее изменениям, особенно если у иммигранта не будет естественных врагов. Например, кролики, которые были завезены в Австралию, так размножились, что лишили корма овец и принесли фермерским хозяйствам огромные убытки. Отсутствие естественных врагов у колорадского жука снижает урожаи картофеля в Евразии. Массовое размножение завезенной из Америки в качестве живой изгороди опунции в Австралии резко повлияло на качество пастбищ, недаром австралийцы установили памятник кактусовой моли, с помощью гусениц которой удалось избавиться от нежелательного иммигранта.