Лекция 3. Экосистемы и основы их жизнедеятельности

План лекции

1. Экосистемы и основы их жизнедеятельности.

2. Направления развития в экологии сообществ и экосистем.

3. Факторы, влияющие на устойчивость экосистем.

4. Популяционный уровень жизни.

Основным понятием и основной таксономической единицей в экологии является экосистема. Этот термин был впервые введен в употребление английским ученым А. Тэнсли в 1935 г., т.е. более полувека спустя после выделения экологии как отрасли научных знаний. Сторонники системного подхода для обозначения природных комплексов использовали и другие термины: «биокосное тело» (В.И. Вернадский), «холон» (А.Каспер), а в 1940 г. советский ученый В.Н. Сукачев ввел понятие «биогеоценоз».

Под экосистемой понимается любая система, состоящая из совокупности живых организмов и среды их обитания, объединенных в единое функциональное целое.

Экологические системы разных уровней представляют собой основные функциональные единицы биосферы. Это энергетически и структурно открытые системы, поддерживающие подвижное равновесие благодаря особой структурно-функциональной организации всех своих компонентов.

Любая экосистема состоит из двух взаимосвязанных блоков:

1. Биоценоз – комплекс взаимосвязанных живых организмов разных видов (растения, животные, микроорганизмы), обитающих в конкретной местности.

2. Биотоп или экотоп – факторы среды обитания.

Схематично можно записать:

Экосистема = биоценоз + биотоп.

В составе биотопа выделяют следующие абиотические (неживые) компоненты:

- неорганические вещества и химические элементы, участвующие в обмене веществ между живой и мертвой материей (диоксид углерода, вода, кальций, магний, калий, натрий, железо, азот, фосфор, сера, хлор и др.);

- органические вещества, связывающие абиотическую и биотическую части экосистем (углеводы, жиры, аминокислоты, белки, гуминовые вещества и др);

- воздушная, водная или твердая среда обитания;

- климатический режим и др.

В состав биоценоза входят биотические (живые) компоненты, которые состоят из трех функциональных групп организмов (рис. 2).

Рис. 2

Первая группа организмов – продуценты, или автотрофные организмы (греческие auto – сам, trophe –пища) создают органическое вещество из простых неорганических веществ с использованием энергии света (фотоавтотрофы) или энергии химических связей (хемотрофы).

Фотоавтотрофы используют в качестве источника энергии солнечный свет, а в качестве питательного материала – неорганические вещества, в основном углекислый газ и воду. К этой группе организмов относятся все зеленые растения и некоторые бактерии. В процессе жизнедеятельности они синтезируют на свету органические вещества – углеводы или сахара:

СО₂ + Н₂О = (СН₂О)n + О₂.

Хемотрофы используют энергию, выделяющуюся при химических реакциях. К этой группе принадлежат, например, нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой и затем азотной кислоты:

2NH₃ + 3O₂ = 2HNO₂ + 2H2O + Q₁

2HNO₂ + O₂ = 2HNO₃ + Q₂.

Химическая энергия, выделившаяся при этих реакциях, используется бактериями для восстановления углекислого газа до углеводов.

Вторая группа организмов – консументы (латинское consume – потребитель) первого, второго, третьего порядков, или гетеротрофные организмы (греческие heteros – другой, trophe – пища), потребляют готовое органическое вещество, но не доводят его до разложения до простых минеральных составляющих (животные, часть микроорганизмов, паразитические растения). Эти организмы используют органические вещества, которые создали продуценты, в качестве источника и питательного материала и энергии. Они делятся на фаготрофов (греческое phagos – пожирающий) и сапротрофов (греческое sapros – гнилой).

Фаготрофы питаются непосредственно растительными или животными организмами. К ним относятся в основном крупные животные – макроконсументы. Сапротрофы используют для питания органические вещества мертвых остатков.

Третья группа организмов – редуценты (латинское reducens – возвращающий), или деструкторы, разрушают сложные соединения мертвой органики, поглощают некоторые продукты разложения и высвобождают неорганические питательные вещества, пригодные для использования продуцентами, а также органические вещества, способные служить источником энергии для других биотических компонентов экосистемы. К редуцентам относятся главным образом микроскопические организмы (бактерии, грибы и др.) – микроконсументы.

Каждая группа организмов представляет собой трофический (пищевой)уровень или звено. Взаимосвязанный ряд трофических уровней представляет цепь питания, или трофическую цепь. Главное свойство цепи питания – осуществление биологического круговорота веществ и высвобождение запасенной в органическом веществе энергии.

Все элементы экосистемы тесно связаны между собой единством территории, общим потоком энергии (от Солнца к автотрофам, а от них – к гетеротрофам), обменом биогенных химических элементов, сезонными колебаниями климатических условий и взаимной приспособленностью видов всех уровней организации.

Как уже отмечалось, каждый биоценоз состоит из множества видов. Вид – естественная биологическая единица, всех членов которой связывает воедино участие в общем генофонде. Но виды входят в биоценоз не отдельными особями (наименьшая неделимая единица биологического вида, подверженная действию факторов эволюции), а популяциями. Популяция – совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенное пространство, воспроизводящая себя в течение большого числа поколений и способная к саморегулированию. Таким образом, каждый вид в пределах занимаемой территории (ареала) распадается на популяции, размеры которых различны. В таком случае можно сказать, что биоценоз – это сумма популяций разных видов, взаимосвязанных между собой и с условиями среды.

В экологии часто пользуются термином «сообщество». Содержание этого термина неоднозначно. Под ним понимается и совокупность взаимосвязанных организмов разных видов (синоним биоценоза) и аналогичная совокупность только растительных организмов (фитоценоз) или животных (зооценоз), или микробного населения (микробоценоз).

Экосистемы, подобно организмам и популяциям, способны к саморегулированию, противостоя изменениям и сохраняя состояние устойчивого равновесия. Это свойство экосистем называется гомеостазом. Но для нормального функционирования экосистем необходим период эволюционного приспособления к условиям среды, который называется адаптацией.

Основными свойствами экосистемы являются:

- способность осуществлять круговорот веществ;

- противостоять внешним воздействиям;

- производить биологическую продукцию.

Экосистемы очень различны по размерам. Всю биосферу можно рассматривать как совокупность экосистем от глубокого океана до высокого леса. Определяя экосистемы таким образом, можно выделить:

- микроэкосистемы – небольшой водоем; труп животного с населяющими его организмами; ствол дерева в стадии разложения; аквариум, даже лужа или капля воды, пока они существуют и в них присутствуют живые организмы, способные осуществлять круговорот веществ;

- мезоэкосистемы – лес, пруд, река и т.п.

- макроэкосистемы – океан, континент, природная зона и т.п.

- глобальная экосистема – биосфера в целом.

Таким образом, более крупные экосистемы включают в себя экосистемы меньшего ранга. Образное (шутливое) определение экосистемы дал географ и писатель Г.К.Ефремов: «это любое природное образование от кочки до оболочки (географической)».

Существует такое понятие, как видовая структура экосистемы, под которым понимается количество видов, образующих экосистему, и соотношение их численности. Видовое разнообразие обычно тем значительнее, чем богаче условия (биотоп) экосистемы. В этом отношении самыми богатыми по видовому разнообразию являются экосистемы дождевых тропических лесов.

Разнообразие видов зависит также от возраста экосистемы. Молодые экосистемы крайне бедны видами, т.к. возникают на изначально безжизненном субстрате (отвалы пород при добыче полезных ископаемых). В хорошо сформировавшихся экосистемах преобладают 1, 2 или 3 вида, которые называются доминантными (господствующими). Наряду с доминантами в экосистемах выделяют виды – эдификаторы, которые являются основными образователями среды.

Каждый вид или его части (популяция, группировка) занимают определенное место в окружающей среде, т.е. экологическую нишу. Под экологической нишей понимают обычно место организма в природе и весь образ его жизнедеятельности или, как говорят, жизненный статус, включающий отношение к факторам среды, видам пищи, времени, способам питания, местам размножения, укрытий и т.п. Понятие «жизненный статус» значительно объемнее и содержательнее понятия «местообитание». Американский эколог Ю. Одум образно назвал местообитание адресом организма (вида), а экологическую нишу – его профессией [13].