Экосистемы и экологические факторы

Экологическая система (экосистема) – это совокупность взаимосвязанных и взаимозависимых совместно обитающих различных видов организмов и условия их существования. В экосистеме связаны биоценоз (сообщество совместно живущих организмов) и среда обитания (биотоп).

Экосистемы могут быть разнообразными по размеру: небольшая лужа по праву представляет собой экосистему, так же, как и лес, занимающий сотни гектаров. Понятие экосистемы относят не только к континентальной среде, но и к морской. В частности, коралловый риф с его флорой и фауной может служить прекрасным примером морской экосистемы. В этом смысле биосфера в целом является экосистемой высшего порядка. Между соседними экосистемами устанавливаются определенные связи или обмен, но в любом случае они менее важны, чем связи между организмами одной экосистемы.

В основе любой, даже самой простой экосистемы лежит пищевая (трофическая) цепь рис.1.2. Основные типы пищевых цепей – пастбищная и детритная.

Рис.1.2. Трофическая (пищевая) цепь: СЭ – солнечная энергия

Пастбищной пищевой цепью называется ряд живых организмов, в котором каждый вид питается предшественником по цепи и в свою очередь оказывается съеденным видом, занимающим более высокий пищевой (трофический) уровень. Начало пастбищной цепи – автотрофные организмы (продуценты), которые относятся к первому

трофическому уровню. Только продуценты способны сами производить для себя пищу. Организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию, питаясь напрямую или косвенно продуцентами, называются консументами. Растительноядные организмы принадлежат ко второму трофическому уровню. Хищники, поедающие растительноядных, образуют третий трофический уровень.

В зависимости от источников питания консументы, питающиеся живыми организмами, подразделяются на три основных класса:

Ø фитофаги (растительноядные) – это консументы первого порядка, питающиеся исключительно живыми растениями;

Ø хищники (плотоядные) – консументы второго порядка, которые питаются исключительно животными;

Ø эврифаги (всеядные), которые могут поедать как растительную, так и животную пищу.

В детритных пищевых цепях организмы потребляют мертвое вещество, последовательно разлагая его на все более простые соединения. К этой группе организмов относятся деструкторы, которые в ходе своей жизнедеятельности превращают органические остатки в неорганические вещества (одноклеточные бактерии и грибы). Присутствие детритных пищевых цепей необходимо в каждой экосистеме, поскольку именно они осуществляют замыкание круговорота элементов. Кроме деструкторов существует другая группа, потребляющая мертвое вещество, – детритофаги, которые напрямую потребляют мертвые органические остатки (дождевые черви, муравьи). Детритофаги и деструкторы составляют группу редуцентов.

В схемах пищевых цепей каждый организм бывает представлен как питающийся другими организмами какого-то одного типа. Однако реальные пищевые связи в экосистеме намного сложнее, так как животное может питаться организмами разных типов из одной же пищевой цепи или даже из разных пищевых цепей. Это в особенности относится к хищникам верхних трофических уровней. Некоторые животные питаются как другими животными, так и растениями. В действительности пищевые цепи переплетаются таким образом, что образуется пищевая (трофическая) сеть.

Для изучения взаимоотношений между организмами в экосистеме и для графического представления этих взаимоотношений удобнее использовать не схемы пищевых цепей или сетей, а экологические пирамиды: пирамиды численности, биомассы и энергии.

Для построения пирамиды численности сначала подсчитывают число различных организмов на данной территории, сгруппировав их по трофическим уровням. Количество организмов на данном трофическом уровне может быть представлено в виде прямоугольника, площадь которого пропорциональна числу организмов, обитающих на данной площади. Затем строят прямоугольники один над другим, в соответствии с номером трофического уровня. Получаются пирамиды численности, которые для большинства экосистем сужаются при продвижении от уровня продуцентов к более высоким уровням (рис.1.3).

Рис.1.3. Пирамиды численности в экосистеме

В пирамидах биомассы учитывается суммарная масса организмов (биомасса) каждого трофического уровня. Таким образом прямоугольники в пирамидах биомассы (сухой вес всех органических веществ) отображают массу организмов каждого трофического уровня, отнесенную к единице площади или объема.

Наиболее фундаментальным и в определенном смысле идеальным способом отображения связей между организмами на разных трофических уровнях служит пирамида энергии, которая отражает скорость образования биомассы, в отличие от пирамид численности и биомассы, описывающих только текущее состояние организмов в отдельный момент времени.

Рассмотрим поток энергии в экосистемах. В природе растения усваивают всего 1-2% солнечной энергии, достигшей поверхности Земли. Эффективность усвоения пищи у растительноядных животных зависит от ее питательных свойств и может колебаться от 10% (при поедании древесины) до 80% (при поедании семян). Эффективность усвоения пищи у хищников составляет 60-90% от ее поглощенного количества. Растения 30-85% усвоенной энергии расходуют на создание биомассы, остальная часть тратится на дыхание.

Таким образом, с каждым переходом из одного трофического уровня в другой в пределах пищевой цепи совершается работа и в окружающую среду выделяется тепловая энергия, а количество энергии высокого качества, используемой организмами следующего трофического уровня, снижается. Процентное содержание энергии высокого качества, переходящеЙ с одного трофического уровня, колеблется от 2 до 30% в зависимости от вовлекаемых типов живых организмов и от экосистемы, в которой происходит трансформация энергии. В дикой природе с учетом затрат энергии на собственные нужды результирующий поток энергии, переходящий на следующий трофический уровень, составляет в среднем 10% энергии, полученной предыдущим уровнем (правило 10% Линдемана) (рис.1.4). В результате на верхние трофические уровни приходятся сотые, а то и тысячные доли процента от энергии зеленых растений.

Рис.1.4. Поток энергии (тонкие стрелки) и круговорот веществ
(толстые стрелки) в трофической цепи

В природных условиях рост и размножение живого вещества ограничивается целым рядом различных экологических факторов, под которыми понимаются условия среды, способные оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы. В свою очередь организмы реагируют на экологические факторы специфическими приспособительными реакциями, возможности которых ограничены. Границы распространения организма обусловлены соблюдением необходимых требований данного организма к факторам среды. Каждый вид занимает то место, которое обусловлено его требованиями к территории, пище, воспроизводству и другим функциям организма. Эта совокупность параметров среды для обитания вида и характеристик вида является экологической нишей. Например, экологическая ниша дрозда включает в себя такие факторы, как гнездование и высиживание птенцов на деревьях, питание насекомыми, земляными червями и плодами. Все факторы в экологической нише взаимозависимы, изменение одного из них влечет за собой изменение других, не подвергавшихся воздействию.

Экологические факторы подразделяются на две категории: факторы неживой природы – абиотические и факторы живой природы – биотические.

Формы этого влияния могут быть разнообразными и достаточно сложными. Основные виды биотических факторов:

1. Межвидовая конкуренция. Если два или более вида начинают потреблять один и тот же дефицитный ресурс, т.е. их экологические ниши пересекаются, они окажутся в отношениях межвидовой конкуренции. Дефицитными ресурсами могут быть пища, солнечный свет, жизненное пространство и т.д. В некоторых случаях особи конкурирующего вида добиваются преимущества перед другими быстротой и эффективностью использования ресурсов. Другие виды добиваются преимущества за счет того, что лишают их доступа к этому ресурсу.

2. Хищничество. Эта форма взаимодействия (хищник – жертва) характерна для пастбищной пищевой цепи. Жертвы пользуются целым рядом механизмов, чтобы защититься от хищника. Одни умеют быстро летать и бегать, другие имеют толстую кожу или панцирь, третьи имеют защитную окраску. В свою очередь, хищники имеют несколько способов добычи жертвы. Одни быстро бегают, другие охотятся стаями (волки, гиены), третьи отлавливают больных или раненых особей, четвертые изобретают орудия добычи (человек).

3. Паразитизм. Паразиты питаются за счет другого организма, называемого хозяином, однако в отличие от хищников они живут на хозяине или внутри на протяжении всего жизненного цикла. Паразит использует для своей жизнедеятельности питательные вещества хозяина, тем самым постепенно ослабляя и нередко убивая его.

4. Симбиоз. По степени партнерства различают виды симбиоза – мутулизм и комменсализм. При мутулизме два вида организмов непосредственно взаимодействуют таким образом, что приносят друг другу взаимную пользу. Например, грибы поглощают из корней нужные им растворы, обогащенные питательными веществами, и в то же время помогают древесным корням извлекать из почвы воду и минеральные элементы. При комменсализме один из видов извлекает из такого взаимодействия пользу, тогда как на другом это практически никак не отражается.

К абиотическим факторам относятся:

1. Эдафические (почвенные) факторы. В состав почвы входят четыре важных структурных компонента: минеральная основа (неорганический компонент, который образовался из материнской породы в результате ее выветривания) – обычно 50 – 60% общего состава почвы, органическое вещество (образуется при разложении мертвых организмов) - до 10%, воздух – 15–25% и вода – 25–35%.

Плодородие почвы определяется избытком или недостатком гумуса – части органической составляющей,представляющей собой конечный продукт разложения мертвых организмов.

2. Климатические факторы:свет, температура, вода и ветер.

3. Топография:рельеф местности, высота, крутизна и экспозиция склонов.

4. Химические факторы: газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрация, кислотность и состав почвенных растворов.

Несмотря на большое разнообразие экологических факторов, в характере их воздействия на организмы и в ответных реакциях живых существ можно выявить ряд общих закономерностей.

1. Закон оптимума. Каждый фактор имеет лишь определенные пределы положительного влияния на организмы. Результат действия переменного фактора зависит прежде всего от силы его проявления. Как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей. Благоприятная сила воздействия называется зоной оптимума экологического фактора или просто оптимумом для организмов данного вида (рис.1.5). Чем сильнее отклонение от оптимума, тем больше выражено угнетающее действие данного фактора на организмы (зона пессимума). Максимально и минимально переносимые значения фактора – это критические точки (нижний и верхний уровни толерантности), за пределами которых существование уже невозможно, наступает смерть.

Пределы выносливости между критическими точками называют экологической валентностью живых существ по oтношению к конкретному фактору среды.

Рис.1.5. Зависимость результата действия экологического фактора
от его эффективности

2. Закон толерантности. Существование, распространение и распределение видов живых организмов в экосистеме определяется тем, может ли уровень одного или нескольких физических и химических факторов быть выше или ниже уровней толерантности этих видов.

3. Неоднозначность действия фактора на разные функции. Каждый фактор неодинаково влияет на разные функции организма. Оптимум для одних процессов может являться пессимумом для других.

4. Изменчивость, вариабельность и разнообразие ответных реакций на действие факторов среды у отдельных особей вида. Степень выносливости, критические точки, оптимальная и пессимальная зоны отдельных индивидуумов не совпадают. Эта изменчивость определяется как наследственными качествами особей, так и половыми, возрастными и физиологическими различиями.

5. Несовпадение экологических спектров отдельных видов. Каждый вид специфичен по своим экологическим возможностям. Даже у близких по способам адаптации к среде видов существуют различия в отношении к каким-либо отдельным факторам.

6. Взаимодействие факторов. Оптимальная зона и пределы выносливости организмов по отношению к какому-либо фактору среды могут смещаться в зависимости от того, с какой силой и в каком сочетании действуют одновременно другие факторы. Например, жару легче переносить в сухом, а не во влажном воздухе.