Экосистема– совокупность живых организмов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическим обменом

Тема 4.

Организация экосистем.

1. Понятие экосистем, их классификация.

2. Структура, состав и принципы функционирования экосистем.

3. Потоки вещества и энергии в экосистемах.

4. Законы экологических пирамид.

5. Динамика экосистем.  Сукцессия.

1. Любую совокупность организмов и неорганических компонентов окружающей их среды, в которой может осуществляться круговорот веществ, называют экосистемой.

Экосистема– совокупность живых организмов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическим обменом.

Именно экосистема есть главный объект экологии. Экосистемы делят на две большие группы:

 

Природные или естественные экосистемы могут быть самого различного объема и протяженности. В связи с этим среди природных экосистем выделяют:

§ Микроэкосистемы – лужа, капля воды, подушка лишайника;

§ Мезоэкосистемы – пруд, луг, озеро, лес, степь и т.д.;

§ Макроэкосистемы – континент, океан;

§ Экосфера – глобальная экосистема – биосфера Земли.

 

Искусственным экосистемам  (агроценозам)  присущ ряд особенностей:

§ Во-первых, это пониженное разнообразие входящих в них видов;

§ Во-вторых, ослабленная способность возделываемых культурных растений противостоять конкурентам (сорнякам) и вредителям;

§ В-третьих, растения, кроме солнечной, получают дополнительную энергию благодаря деятельности человека, животных, внесению удобрений и т.д.;

§ В-четвертых, чистая первичная продукция удаляется с полей практически полностью человеком и не поступает в цепи питания.

 

По сути, на базе таких искусственных экосистем человек необдуманно стремится создать экологический абсурд: агроценоз должен состоять из одного вида культурных растений, а идеальная для него пищевая цепь – всего из двух звеньев: «растение – человек» или «растение – домашние животные». В природе такая система из-за своей неустойчивости невозможна, поэтому для нормального функционирования таких экосистем, даже в течение ограниченного времени, необходимо постоянное вмешательство человека.

2.  В каждой экосистеме, независимо от размера, есть абиотический (неживой) компонент – биотоп – общее местообитание для всех организмов, и биотический  (живой)  компонент – биоценоз –совокупность всех живых организмов, населяющих данный биотоп.

 

Экосистема (биогеоценоз) = биоценоз + биотоп (экотоп)

 

В экосистеме выделяют следующие компоненты:

• запасы биогенных элементов (С, О, Н, N, S, P);
• автотрофы (продуценты);
• гетеротрофы (консументы и редуценты).

 

Все эти группы организмов в любой экосистеме тесно и постоянно взаимодействуют между собой. На этом основан первый принцип функционирования экосистем: получение ресурсов и избавление от отходов происходит в рамках круговорота всех элементов. Данный круговорот, в свою очередь, поддерживается постоянным притоком солнечной энергии. В этом заключается второй принцип функционирования экосистем: природные экосистемы существуют за счет не загрязняющей среду и практически вечной Солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.

 

3.  Функционально любую экосистему можно представить как открытую биологическую систему, которая аккумулирует Солнечную энергию и осуществляет ее преобразование в данной точке планеты, т.е любая экосистема существует за счет двух универсальных явлений природы: потока вещества и потока энергии.

Поток вещества – перемещение вещества в форме химических элементов и их соединений от продуцентов к редуцентам (через консументов или без них).

Поток энергии – переход энергии в виде химических связей органических соединений (пищи) по цепям питания от одного трофического уровня к другому, более высокому.

Трофический уровень – это место каждого звена в цепи питания.

 

 

В отличие от веществ, которые постоянно циркулируют по разным блокам экосистемы и всегда могут вновь входить в круговорот, поступившая энергия может быть использована только один раз. Это обусловлено действием I и II законов термодинамики.

4. Внутри каждой экосистемы трофические сети имеют хорошо выраженную структуру, которая характеризуется природой и количеством организмов, представленных на каждом уровне различных пищевых цепей. Для изучения взаимоотношений между организмами в экосистеме и для их графического изображения обычно используют не схемы пищевых сетей, а экологические пирамиды. Экологические пирамиды выражают трофическую структуру экосистемы в геометрической форме. Существуют пирамиды численности, биомассы и энергии.

Пирамиды численности отражают плотность организмов на каждом трофическом уровне. Установлено основное правило, которое гласит, что в любой среде растений больше, чем животных, травоядных больше, чем плотоядных, насекомых больше, чем птиц, и т. д. Нередко пирамиды численности бывают перевернутыми. Например, в лесу насчитывается значительно меньше деревьев (первичные продуценты), чем насекомых (растительноядные). Подобная же картина наблюдается в пищевых цепях сапрофитов и паразитов.

Пирамида биомассы о тражает более полно пищевые взаимоотношения в экосистеме, так как в ней учитывается суммарная масса организмов (биомасса) каждого трофического уровня, отнесенная к единице площади или объема. Форма пирамиды биомассы нередко сходна с формой пирамиды численности. Характерно уменьшение биомассы на каждом следующем трофическом уровне. Пирамиды биомассы, так же как и численности, могут быть не только прямыми, но и перевернутыми. Перевернутые пирамиды биомассы свойственны водным экосистемам, в которых первичные продуценты, например фитопланктонные водоросли, очень быстро делятся, а их потребители – зоопланктонные ракообразные – гораздо крупнее, но имеют длительный цикл воспроизводства.

Пирамида энергии является наиболее фундаментальным способом отображения связей между организмами на разных трофических уровнях. Р. Линдеман в 1942 г. впервые сформулировал закон пирамиды энергий, который нередко называют «законом 10 %». Согласно этому закону с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой ее уровень в среднем не более 10% энергии. Последующим гетеротрофам передается только 10 – 20 % исходной энергии. Это объясняет ограниченное количество звеньев в пищевой цепи независимо оттого или иного биоценоза.

Изучение экосистем, их структуры, состава, законов, продуктивности важно в практическом отношении. Очень важно хорошо представлять допустимые пределы изъятия растительной и животной биомассы из природных систем. В противном случае может быть подорвана их продуктивность.

5. Любая экосистема достаточно изменчива, несмотря на относительную стабильность ее структуры. Изменение состояния экосистемы в ответ на изменение условий среды называется динамикой экосистемы. Тип динамики зависит от характера изменения экологических факторов среды. Он может быть циклическим (периодическим) или поступательным.

Циклический тип отражает:

1. суточные ритмы, связанные со сменой дня и ночи.

2. сезонную динамику, связанную со сменой времен года. Сезонные изменения обеспечивают выживание видов в течение года, когда климатические условия изменяются в широких пределах. Например, при наступлении неблагоприятного периода происходят миграции и кочевки у птиц. Некоторые млекопитающие впадают в спячку, у пресмыкающихся и земноводных наступает оцепенение, у протистов образуются цисты. После зимнего покоя у растений наступает активная вегетация, цветение, плодоношение, затем листопад и подготовка к зиме.

3. многолетняя периодичность возможна благодаря изменениям климата: один год – засуха, другой – сильные морозы, третий – обильные осадки и т.д.

 

Поступательные изменения экосистемы происходят вследствие однонаправленного изменения условий среды. Причиной изменения условий среды в экосистеме могут быть как внешние (изменение климата), так и внутренние (жизнедеятельность популяций) факторы. В результате направленного изменения абиотических и биотических факторов среды существующие в экосистеме популяции начинают вымирать. Новые условия среды становятся непригодными для их существования. Сила воздействия экологических факторов выходит за пределы выносливости популяций. Вместо них заселяются новые популяции, для которых эти условия благоприятны. Это приводит к смене одного биоценоза другим с новым набором видов. В результате происходит смена всей экосистемы. Новая экосистема сменится следующей определенной экосистемой по той же причине. И так будет продолжаться до тех пор, пока не стабилизируются условия среды. Этот процесс называется сукцессия.

Сукцессия — закономерная, последовательная смена одних экосистем другими на определенной территории под влиянием направленного изменения природных факторов или деятельности человека.

Выделяют два основных типа сукцессий:

· первичные – процесс развития биоценоза на месте, ранее лишенном жизни. Например, на застывшей лаве после извержения вулканов, на морских островах после землетрясений, на песчаных дюнах, на голых скалах, наносах рек.

· вторичные – начинаются на месте разрушенной экосистемы. Примером может служить зарастание заброшенных полей, лесной вырубки, загрязненных водоемов, восстановление лугов и лесов после пожара, засухи, наводнения, эрозии.

Сукцессия завершается климаксовой стадией, когда достигается равновесное состояние сообщества и окружающей среды. Типичными климаксовыми экосистемами являются тундра, тайга, ковыльная степь. Эти экосистемы обладает высокой устойчивостью.