2.2. Экосистемы, их структура и виды
Экосистема (биоценоз) — основная единица биосферы, которая является объектом изучения экологии. Этот термин ввел английский биолог А. Тенслі в 1935 году. Экосистема — сложный природный комплекс живых существ, которые взаимодействуют с неорганическим средой и находятся в материально-энергетической зависимости от нее. Для удобства ученые рассматривают экосистему как изолированную единицу (пашня, озеро, пастбище, ручей и т. п), однако фактически различные компоненты перемещаются из одной экосистемы в другую. По своей сути это динамически уравновешенная система, которая сложилась в результате длительной и глубокой адаптации составных компонентов, в которой осуществляется круговорот веществ. Экосистема — не простая совокупность живых организмов и окружающей среды, диалектическое единство всех экологических компонентов, обусловленное взаимозависимостью и причинно-следственными связями. В каждой экосистеме происходят круговорот веществ и обменные энергетические процессы.
Каждая экосистема состоит из биоценоза и биотопа.
Биотоп — это участок поверхности земли с более-менее однотипными условиями существования (почвой, микроклиматом и тому подобное).
Биоценоз — это исторически сложившаяся совокупность растений, животных и микроорганизмов, населяющий биотоп. Соответственно этому каждый биоценоз состоит из фитоценоза (группировка растений), зооценоза (группировка животных) и мікроценозу (группировка микроорганизмов).
Кроме природных экосистем, существуют также искусственные экосистемы: космическая станция, аквариум, горшок с комнатным растением и тому подобное.
Биоценозы земного шара образуют біоценотичний покров, который изучает біогеоценологія. Основал эту науку выдающийся русский ученый В. М. Сукачев. Совокупность всех биогеоценозов нашей планеты образует гигантскую экосистему — биосферу (рис. 2.1). Биоценозы могут формироваться на любом участке земной поверхности — на суше и на воде. Они бывают степными, болотными, луговыми и т. д. Большое значение в функционировании биосферы имеют гідробіоценози. Участки земной поверхности, покрытые культурными растениями, называются агрофітоценозами.
В структуре каждой экосистемы можно выделить четыре функциональных компонента:
абіотичне окружения, то есть весь комплекс неживой природы, откуда биоценоз черпает средства для существования и куда выделяет продукты обмена;
комплекс автотрофных организмов, обеспечивающих органическими веществами, а следовательно, и энергией все остальные организмы, это первичные продуценты органического вещества, которые ассимилируют солнечную энергию (фототрофні растения, фотосинтезуючі бактерии);
3) комплекс гетеротрофных организмов — консументів, которые живут за счет питательных веществ, созданных первичными продуцентами. Консументами являются животные и бесхлорофильные растения;
4) комплекс организмов, разлагающих органические соединения до минерального состояния. Это редуценти, представленные микроорганизмами — бактериями, грибами, простейшими, а также организмами, которые питаются мертвыми органическими веществами.
Рис. 2.1. Схема строения биоценоза (по В. М. Сукачевым)
Между всеми четырьмя звеньями существует закономерная связь. Взаимодействие организмов в экосистеме чрезвычайно сложная. Взаимодействие биоценозов с биотопах происходит через вещественно-энергетический обмен. Для каждой экосистемы характерен свой биологический круговорот веществ, который осуществляется благодаря существованию в экосистемах трофических цепей (цепей питания).
Пастбищный цепь питания — это ряд живых организмов, в котором каждый вид питается предшественниками в цепи и в свою очередь служит пищей для видов, которые занимают высший уровень. Например, в водоемах фитопланктон поедается зоопланктоном, последний — мелкой рыбой, что является добычей крупных рыб — хищников, которые в свою очередь потребляются человеком. Речь идет о определенные группировки растений, животных и микроорганизмов, которые взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой. Каждый живой организм или их совокупность выполняют определенную биологическую функцию, которая или начинает какой-то процесс, или служит его промежуточным звеном, или завершает его. Такая согласованная и взаимосвязанная деятельность живых организмов Земли находится в тесной связи с окружающей средой и его основными факторами и создает экологическую систему, целостность которой удерживается постоянными потоками вещества и энергии между компонентами экосистемы.
Очень крупные наземные экосистемы называют біомами. Например, леса умеренного пояса, пустыни, хвойные леса, саванны и тому подобное. Каждый биом включает в себя целый ряд меньших по размерам взаимосвязанных друг с другом экосистем. Одна из них может быть большой — площадью несколько миллионов квадратных километров, другая может представлять собой небольшую поляну. Важно то, что каждую экосистему можно определить как более-менее своеобразное группировки растений и животных, которые взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой.
Чтобы выяснить целостность биосферы, необходимо выяснить, как она функционирует. Поскольку она состоит из множества экосистем, необходимо знать их структуру. В каждой экосистеме два основных компонента: организмы, с одной стороны, и факторы неживой природы — с другой. Такую совокупность организмов (растений, животных, микроорганизмов) называют біотою (от лат. bio — жизнь) экосистемы. Пути взаимодействия разных категорий организмов — это ее біотична структура. Неживые (химические и физические) факторы окружающей среды называются абиотическими.
Несмотря на большое разнообразие экосистем — от пустынь до тундры, всем им, по мнению экологов, свойственна примерно одинаковая біотична структура, все они содержат одни и те же категории организмов, которые подобно взаимодействуют во всех экосистемах. Это такие категории: продуценты, консументи, редуценти.
Продуценты, или автотрофи — это организмы, которые создают органическое вещество за счет утилизации солнечной энергии, воды, углекислого газа и минеральных солей.
Продуцентами в экосистеме называют зеленые растения, поскольку они сами создают для себя пищу. Их на Земле около 350000 видов, а масса, по подсчетам В.Вернадского, составляет около 2,4∙1012 т. На первый взгляд кажется, что зеленые растения независимы от других организмов. Однако ученые утверждают, что если бы на Земле существовали только зеленые растения, то, в конечном счете, все минеральные вещества оказались бы связанными в этих растениях (во многих случаях — в их мертвых остатках) и рост растений прекратился бы. Этого не происходит потому, что другие организмы — редуценти (или мікроконсументи) используют питательные вещества, содержащиеся в мертвых растениях, и как источник энергии, и как еду, раскладывая при этом органические соединения на более простые неорганические. В таком виде их способны поглощать и использовать живые растения.
Редуценти — микроорганизмы, которые разлагают органическое вещество продуцентов и консументів до простых соединений — воды, углекислого газа и минеральных солей. К редуцентів относятся бактерии, грибы. Их насчитывается 75 тыс. видов, а суммарная масса составляет 1,8∙108 т.
Энергия и элементы питания, содержащиеся в организмах живых продуцентов, потребляются в большинстве природных экосистем не только редуцентами, но и консументами, или фаготрофами.
Консументи — это гетеротрофічні организмы, получающие энергию за счет питания автотрофами или другими консументами. К ним относятся в основном животные, питающиеся другими организмами или частицами органического вещества. Среди них есть травоядные (животные, которые питаются растительной пищей), всеядные (животные, потребляющие как растительную, так и животную пищу), плотоядные, а также паразиты. Количество видов этой группы наибольшая — свыше 1,5 млн, а их масса составляет около 2,3∙108 т.
Одна из причин, что вызывает разнообразие экосистем (биоценозов) в природе, — это своеобразие абиотических условий каждого региона.
Таким образом, несмотря на разнообразие экосистем, все они имеют общие черты. В каждой из них можно выделить фотосинтезуючі растения — продуценты, различные типы консументів и редуцентів.
Виды экосистем по масштабам делятся на микроэкосистемы, мезоекосистеми и макроекосистеми.
В мікроекосистемах небольшие, временные биоценозы, называемые синузіями, находящихся в ограниченном пространстве. В таких экосистем относятся трухлявые пеньки, мертвые стволы деревьев, муравейники и тому подобное.
Наиболее распространенными среди экосистем является мезоекосистеми, или биогеоценозы, в которых биоценозы занимают однотипные участки земной поверхности с одинаковыми физико-географическими условиями и границы которых, как правило, совпадают с границами соответствующих фитоценозов.
Макроекосистеми охватывают огромные территории или водные акватории, которые определяются характерным для них макроклиматом и отвечают целым природным зонам. Биоценозы таких экосистем называются біомами. К макроекосистем принадлежат экосистемы тундры, тайги, степи, пустыни, саванны, лиственных и смешанных лесов умеренного пояса, субтропического и тропического лесов, а также морские экосистемы. Примером глобальной экосистемы является биосфера нашей планеты.
По степени трансформации человеческой деятельности экосистемы подразделяются на природные, антропогенные и антропогенно-природные.
В промышленно развитых странах, на захваченных человеческой деятельностью территориях природных экосистем почти не осталось, разве что в заповедниках. Лесные насаждения, луга, поля — все это антропогенно-природные экосистемы, которые хотя и состоят почти единственно из природных компонентов, но созданы и регулируются людьми.
К антропогенным экосистемам относятся экосистемы, в которых преобладают искусственно созданные антропогенные объекты и в которых, кроме людей, могут существовать лишь отдельные виды организмов, которые приспособились к этим специфических условий. Примером таких антропогенных экосистем являются города, промышленные узлы, села (в пределах застройки).