Понятие об экосистеме. Классификация природных экосистем и биом

Сообщества организмов связаны с неорганической средой теснейшими материально-энергетическими связями.

В любом конкретном местообитании запасов неорганических соединений, необходимых для поддержания жизнедеятельности населяющих его организмов, хватило бы ненадолго, если бы эти запасы не возобновлялись. Возврат биогенных элементов в среду происходит как в течение жизни организмов, так и после их смерти.

Таким образом, сообщество образует с неорганической средой определенную систему, в которой поток атомов, вызываемый жизнедеятельностью организмов, имеет тенденцию замыкаться в круговорот.

В 1935 г. английским экологом А. Тенсли был предложен термин «Экосистема», что означает любую совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ. Из данного определения следует, что неорганические факторы выступают как равноправные компоненты, и невозможно отделить организм от конкретной окружающей среды.

А. Тенсли рассматривал экосистемы как основные единицы природы на поверхности Земли, хотя они не имеют определенного объёма и могут охватывать пространство любой протяженности.

В современной экологии выделяют микросистемы (ствол гниющего дерева), мезоэкосистемы (лес, пруд, озеро), макроэкосистемы (континент, океан) и глобальные экосистемы (биосфера Земли).

Ю. Одум (1986) выделяет три группы природных экосистем: наземные, пресноводные и морские.

Наземные экосистемы – это тундра, тайга, степи, пустыни и т.д.

Пресноводные – лентические (стоячие) воды: озёра, пруды, водохранилища; логические (текущие) воды: реки, ручьи и заболоченные угодья.

Морские экосистемы – это открытый океан, воды континентального шельфа, районы апвеллинга (с продуктивным рыболовством), эстуарии (бухты, устья рек, лиманы).

В 1977 г. американскими учеными была открыта уникальная экосистема глубоководных рифовых зон океана, характеризующаяся высокой биомассой живых организмов.

Экосистема – не просто сумма популяций и условий среды, а система взаимодействий между ними. Благодаря этим взаимодействиям у экосистем появляются новые свойства, главное из которых – способность к самоподдержанию. Экосистемы самоподдерживаются благодаря круговороту веществ и потоку энергии.

Для поддержания круговорота веществ в системе необходимо наличие запаса неорганических молекул в усвояемой форме и трёх функционально-различных экологических групп организмов: продуцентов, консументов и редуцентов.

Первое звено образуют так называемые продуценты, или производители. Это автотрофные, зеленые растения, которые в процессе фотосинтеза создают органические вещества, используя неорганические, и аккумулируют солнечную энергию.

Второе звено представлено консументами, т.е. потребителями – гетеротрофными организмами, питающимися растениями или другими гетеротрофами. Различают консументы первого порядка (растительноядные), второго порядка (плотоядные, питающиеся растительноядными), третьего порядка и т.д.

Третье звено – это редуценты, или диструкторы, – разрушители органических веществ (микроорганизмы, грибы и организмы, питающиеся мертвым органическим веществом и минерализирующие его до неорганических соединений).

Классификация эта относительна. Так, и продуценты, и консументы выступают частично в роли редуцентов, выделяя в течение жизни в окружающую среду минеральные продукты обмена.

Звенья образуют прочные цени питания, формируя определенные трофические уровни.

Цепи питания – это цепи взаимосвязанных видов, последовательно извлекающих органическое вещество и энергию из исходного пищевого вещества; каждое предыдущее звено является пищей для следующего.

Пищевой, или трофический уровень, – одно звено в цепи питания, представленное продуцентами, консументами и редуцентами. Разные трофические уровни различаются интенсивностью протекания потока веществ и энергии.

Первый трофический уровень – это всегда продуценты, создатели органической массы. Растительноядные консументы – второй трофический уровень. Плотоядные (питающиеся за счет растительноядных) – третий трофический уровень. Плотоядные (за счет других плотоядных) – четвертый трофический уровень и т.д. Таким образом, различают консументы 1-го, 2-го, 3-го и т.д. порядков.

В любой цепи питания не вся пища используется на рост особи, т.е. на накопление биомассы. Часть её расходуется на удовлетворение энергетических затрат организма: на дыхание, на движение, размножение, поддержание температуры тела.

При этом биомасса одного звена не может быть переработана последующим полностью. В противном случае исчезли бы ресурсы для развития живой материи. В каждом последующем звене пищевой цепи происходит уменьшение биомассы. Обычно чем больше масса начального звена, тем больше она в последующих звеньях. Это касается не только биомассы, но и численности особей, и запаса энергии.

Это явление было изучено Ч. Элтоном и названо пирамидой чисел, или пирамидой Элтона. Различают пирамиду численности, пирамиду биомассы и пирамиду энергии.

Из трёх типов экологических пирамид пирамида энергии дает наиболее полное представление о функциональной организованности сообществ, потому что количество и масса организмов зависят не от количества фиксированной энергии в данный момент на предыдущем уровне, а от скорости продуцирования пищи. Пирамида энергии отражает скорость прохождения массы пищи через пищевую цепь.

Изначально источником энергии является солнечная радиация. Лишь ничтожная ее часть (0,1–0,2% энергии получаемой Землей от солнца) улавливается зелеными растениями и обеспечивает весь биологический круговорот в биосфере. Более половины энергии, связанной при фотосинтезе, тут же расходуется на жизнь растений и может быть использовано гетеротрофными организмами (консументами) при питании.

Энергетический баланс консументов складывается следующим образом: поглощенная пища обычно усваивается неполностью, неусвоенная часть вновь возвращается во внешнюю среду (в виде экскрементов) и в дальнейшем может быть вовлечена в другие цепи питания.

Процент усвояемости зависит от состава пищи и набора пищеварительных ферментов организма. У животных усвояемость пищевых материалов варьирует от 12–20% до 75%. Большая часть энергии используется на поддержание рабочих процессов в клетках, а продукты расщепления подлежат удалению из организма в составе экскрементов и С0₂, образующегося при дыхании. Энергетические затраты на поддержание всех метаболических процессов условно называют тратой на дыхание, так как общие их масштабы можно оценить, учитывая выделение С0₂ организмом.

Меньшая часть усвоенной пищи трансформируется в ткани самого организма, т.е. идет на рост и откладывание запасных питательных веществ, увеличение массы тела. Эти отношения сокращенно можно выразить формулой:

Р=П+Д+Н,

где Р – рацион консумента, т.е. количество пищи, съедаемой им за определенный период времени;

П – продукция, т.е. трата на рост;

Д – траты на дыхание, т.е. поддержание обмена веществ за тот же период;

Н – энергия неусвоенной пищи, выделенной в виде экскрементов.

Траты на дыхание во много раз больше энергетических затрат на увеличение массы самого организма. Конкретные соотношения зависят от стадии развития и физиологического состояния особей. У молодых траты на рост могут достигать значительных величин, тогда как взрослые особи используют энергию пищи почти исключительно на поддержание обмена веществ и созревание половых продуктов. Интенсивность питания снижается с возрастом.

Коэффициент использования потребленной пищи на рост (К) рассчитывается как отношение этих двух величин:

К=П/Р,

где И – траты на рост;

Р – количество пищи, съеденной за тот же период.

Таким образом, основная часть энергии, потребляемой с пищей, идет у животных на поддержание их жизнедеятельности и лишь небольшая – на построение тела, рост и размножение.

Трофические цепи, которые начинаются с фотосинтезирующих организмов, называют цепями выедания (или пастбищными), а цепи, которые начинаются с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов, – детритными цепями разложения.

Биом (англ. Biome от греч. bios – «жизнь» и лат. опта – суффикс, обозначающий «совокупность») – совокупность различных групп организмов и среды их обитания в определенной ландшафтно-географической зоне. Классификация по Б. крупных региональных или субконтинентальных экосистем основана на типе растительности или основных стабильных физических чертах ландшафта. Наземные Б.: тундры, наземные хвойные леса, листопадные леса умеренной зоны, степи умеренной зоны, тропические степи и саванны, чапарраль и жестколистные леса, тропическое колючее редколесье (скрэб). Пресноводные Б.: лентические (озера, пруды), лотические (реки, ручьи), заболоченные угодья (болота, марши). Морские Б.: открытый океан (пелагическая), воды континентального шельфа (прибрежные воды), эструарии (прибрежные бухты, проливы, устья рек).