Экосистема

Экосистемы.

Экологическая система(экосистема) – пространственно определенная совокупность живых организмов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическими и информационными взаимодействиями.

Термин “Экосистема” был введен в экологию английским ботаником А.Тенсли.

Различают водные и наземные экосистемы. При этом в одной природной зоне встречается множество сходных экосистем – или слитых в однородные комплексы или разделенных другими экосистемами.

В каждой наземной экосистеме есть абиотический компонент – биотоп, или экотоп – участок с одинаковыми ландшафтными, климатическими, почвенными условиями; и биотический компонент – сообщество, или биоценоз – совокупность всех живых организмов, населяющих данный биотоп. Биотоп является общим местообитанием для всех членов сообщества. Биоценозы состоят из представителей многих видов растений, животных и микроорганизмов. Практически каждый вид в биоценозе представлен многими особями разного пола и возраста. Они образуют популяцию (или часть популяции) данного вида в экосистеме. Биоценоз очень трудно рассматривать отдельно от биотопа, поэтому вводят такое понятие, как биогеоценоз ( биотоп+биоценоз). Биогеоценоз - элементарная наземная экосистема, главная форма существования природных экосистем. Этот термин ввел В.Н.Сукачев.

Каждая экосистема имеет определенную функциональную структуру.

В каждую экосистему входят группы организмов разных видов, различимые по способу питания:

автотрофы (“самопитающиеся”)

гетеротрофы (“питающиеся другими”).

Консументы –потребители органического вещества живых организмов.

Дитритофаги, или сапрофаги, - организмы, питающиеся мертвым органическим веществом – остатками растений и животных.

Редуценты – бактерии и низшие грибы – завершают деструктивную работу консументов и сапрофагов, доводя разложение органики до ее полной минерализации и возвращая в среду экосистемы последние порции двуокиси углерода, воды и минеральных элементов.

Все названные группы организмов в любой экосистеме тесно взаимодействуют между собой, согласуя потоки вещества и энергии.

Их совместное функционирование не только поддерживает структуру и целостность биоценоза, но и оказывает существенное влияние на абиотические компоненты биотопа, обусловливая самоочищение экосистемы, ее среды.

В подавляющем большинстве экосистем осуществляется фундаментальный обратимый химический процесс.

Принципиальное различие между потоками вещества и энергии в экосистеме заключается в том, что биогенные элементы, составляющие органическое вещество, могут многократно участвовать в круговороте веществ, тогда как поток энергии однонаправлен и необратим. Каждая порция энергии используется только однократно. В соответствии со вторым законом термодинамики на каждом этапе трансформации энергии значительная ее часть неизбежно теряется, рассеивается в виде теплоты.

Прослеживая пищевые взаимоотношения между членами биоценоза, можно построить пищевые цепи и пищевые сети питания различных организмов. Различают несколько типов пищевых систем:

Пастбищные пищевые цепи (цепи эксплуататоров)

Цепи паразитов

Детритные цепи

Благодаря определенной последовательности пищевых отношений различаются отдельные трофические уровни переноса веществ и энергии в экосистеме, связанные с питанием определенной группы организмов. Так, первый трофический уровень во всех экосистемах образуют продуценты – растения, второй – первичные консументы- фитофаги, третий – вторичные консументы- зоофаги и т.д. Совокупность трофических уровней различных экосистем моделируется с помощью трофических пирамид численностей, биомасс и энергий.

Экосистему можно представить в виде диаграммы потока энергии. Она существенно зависит от типа экосистемы, исходной биомассы продуцентов и числа трофических уровней. Для реальных систем характерно ветвление потоков энергии.

Вход системы – поток солнечной энергии. Большая ее часть рассеивается в виде теплоты. Часть энергии, эффективно поглощенная растениями, преобразуется фотосинтезом в энергию химических связей углеводов и других органических веществ. Это валовая первичная продукция (ВПП, брутто-продукция) экосистемы. Часть ее веществ окисляется в процессе дыхания растений и освобождает энергию. Эта энергия используется в других биохимических процессах в растении и в конечном счете также рассеивается в виде тепла. Оставшаяся часть новообразованных органических веществ обусловливает прирост биомассы растений – чистую первичную продукцию (ЧПП, нетто-продукцию) экосистемы. Отношение чистой продукции к валовой, т.е. коэффициент эффективности фотосинтеза, зависит от типа растительности.

Суммарная биомасса стабильной экосистемы относительно постоянна. При переходе от одного трофического уровня к другому часть доступной энергии не воспринимается, а часть расходуется на дыхание. В среднем при переходе с одного трофического уровня на другой общая энергия уменьшается приблизительно в 10 раз (“правило 10%”). Чем длиннее пищевая цепь, тем меньше остается к ее концу доступной энергии. Поэтому число трофических уровней никогда не бывает слишком большим. Диаграммы потоков энергии существенно зависят от типа экосистемы, исходной биомассы продуцентов и числа трофических уровней.

В природных экосистемах происходят постоянные изменения состояния популяций организмов. Они вызываются разными причинами.

Кратковременные – погодными условиями и биотическими воздействиями, сезонные – большим годовым ходом температуры. От года к году – различными случайными сочетаниями абиотических и биотических факторов. Однако все эти колебания, как правило, более или менее регулярны и не выходят за границы устойчивости экосистемы. Такое состояние экосистемы носит название климаксного.

Климаксные сообщества характеризуются устойчивым динамическим равновесием между биотическими потенциалами входящих в сообщество популяций и сопротивлением среды.

Геомеостаз экосистемы – постоянство важнейших экологических параметров.

Стремясь поддержать постоянство экосистемы, тем не менее, способны к изменениям, к развитию, к переходу от более простых к более сложным формам. Масштабные изменения географической обстановки или типа ландшафта под влиянием природных катастроф или деятельности человека приводят к определенным последовательным изменениям состояния биогеоценозов местности – сукцессиям. (Различают первичную и вторичную сукцессии).

Первичная сукцессия - постепенное заселение организмами появившейся девственной суши, оголенной материнской породы.

Вторичные сукцессии имеют характер постепенного восстановления свойственного данной местности сообщества после нанесенных повреждений. Сукцессии происходят путем замещения одних видов другими.

Развитие экосистем не сводится к сукцессиям. В отсутствие нарушений среды незначительные, но стойкие отклонения от единицы приводят к изменению соотношения между автотрофами и гетеротрофами, постепенно увеличивают биологическое разнообразие и относительное значение детритных цепей в круговороте веществ, так что вся продукция используется полностью. Человеку удается снимать высокие урожаи биомассы только на начальных фазах сукцессий или развития искусственных экосистем с преобладанием монокультуры, когда нетто-продукция велика.

“Правило 10%” (правило пирамиды энергий Р.Линдемана): с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой, более высокий ее уровень (по “лестнице” продуцент – консументы), в среднем около 10% поступившей на предыдущий уровень энергии.

“Правило 1%”: для биосферы в целом доля возможного потребления чистой первичной продукции (на уровне консументов высших порядков) не превышает 1%.