Н.В. Гусакова, А.И. Забалуева, В.В. Румянцева
Экология: конспект лекций
Под редакцией А.Н. Королева. — Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2006. — 176с.

Лекция 3. Экологические системы

На любом участке земной поверхности обитает всегда комплекс видов. В изоляции вид быстро ухудшает условия своего существования, поскольку увеличение биомассы происходит до тех пор, пока пищевые ресурсы не исчерпаны. После этого начинается процесс отмирания биомассы. Если же дать дополнительные пищевые ресурсы, то и в этом случае падения биомассы избежать не удастся, так как будут накапливаться продукты обмена.

Сказанное выше позволяет дать определение экосистеме. Это совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом.

Из общего понятия экосистемы выделяют: микроэкосистемы (ствол дерева), мезоэкосистемы (лес, пруд, озеро), макроэкосистемы (континент, океан), глобальную экосистему (биосфера Земли).

Экосистема и биогеоценоз не являются синонимами, их соотношение может быть представлено так: биогеоценоз – это экосистема в границах фотосинтеза, т.е. эти категории совпадают лишь на уровне растительного сообщества и принципиально расходятся как выше, так и ниже этого уровня.

По Одуму, выделяются три группы природных экосистем: наземные (биомы), пресноводные и морские. В основе классификации лежат определенные признаки: для наземных – тип растительности, для пресноводных – физические свойства воды и др.

Наземные экосистемы – это тундра, тайга, степи, пустыни.

Пресноводные экосистемы – стоячие воды (озера, пруды, водохранилища), текущие воды (реки, ручьи), заболоченные угодья (болота и марши).

(Марши – прибрежные полосы воды, заливаемые при повышении уровня воды.)

Морские экосистемы – открытый океан, воды континентального шельфа, бухты, устья рек, лиманы. Еще следует добавить экосистему глубоководных рифовых зон Мирового океана, характеризующуюся высокой биомассой живых организмов.

Первые организмы на Земле питались окружавшим их органическим раствором, однако пришло время, когда запасы его стали подходить к концу, тем более что свободного кислорода – наилучшего окислителя — практически не было, и первые организмы вынуждены были получать энергию в процессе брожения. Но этот процесс малоэффективен и требует большого количества пищи. Жизнь была обречена на голодную смерть.

В ходе естественного отбора образовались фотосинтезирующие организмы, которые не питались готовым органическим веществом, а создавали его сами, используя солнечный свет для преобразования углекислого газа, минеральных солей и воды. Отходом этого способа питания стал кислород, который, во-первых, сделал возможным появление многоклеточных представителей животного мира, нуждающихся в получении энергии из уже готовых органических веществ путём их окисления, а во-вторых, создал защиту от смертельного для белковых соединений воздействия ультрафиолетового излучения, так как некоторая часть свободного кислорода превратилась в озон, являющийся сильнейшим его поглотителем. Таким образом, живые существа получили возможность выбраться из воды, защищавшей их от воздействия излучения, на сушу и постепенно распространились по всей планете, полностью изменив её облик.

Первые организмы на Земле были гетеротрофными. Они быстро исчерпали бы себя, если бы не появились автотрофы.

Автотрофное питание – это питание самостоятельное, основывается на непосредственном преобразовании неорганических веществ – воды, азота, фосфора, углекислого газа – в органические с помощью солнечной энергии в процессе фотосинтеза. Этот тип питания присущ зеленым растениям, хотя некоторые бактерии тоже являются автотрофами.

Гетеротрофное питание – это питание уже готовыми органическими веществами; оно присуще в основном животным и большинству микроорганизмов.

Таким образом, образовался замкнутый круг взаимозависящих и взаимоприспособленных организмов и процессов, среди которых нет ни одного лишнего; каждый выполняет свою функцию, отходы жизнедеятельности одного являются условием жизни другого.

Правило взаимоприспособленности гласит, что в природе нет, и не может быть "плохих" и "хороших" видов, все они необходимы для её нормального развития.

Путем эволюции выработались два типа питания – автотрофное и гетеротрофное, и три группы организмов – продуценты, консументы и редуценты.

У каждой группы организмов своя специализация в обеспечении условий совместного проживания. Автотрофы являются продуцентами (производителями), т.е. организмами, создающими органическое вещество из неорганического. При этом они потребляют излишки углекислого газа, образующегося в процессе жизнедеятельности гетеротрофов, и снабжают последних пищей и кислородом.

Гетеротрофы подразделяются на консументов и редуцентов.

Консументы (потребители), питающиеся растительностью, – консументы первого порядка, а другими животными (хищники) – консументы второго или более высоких порядков. В результате пищеварительного процесса в телах консументов осуществляется первичное измельчение и разложение органики, облегчающее деятельность редуцентов.

Редуценты (восстановители), представленные бактериями, червями, грибами, моллюсками и прочими, окончательно разлагают органическое вещество, содержащееся в отходах и трупах. Тем самым редуценты восстанавливают неорганические вещества (азот, фосфор, воду, газ и др.) в их первоначальном виде, пригодном для питания продуцентов. Круг замыкается (рис. 1).

Наблюдаемый в наше время экологический кризис – это, в первую очередь, кризис редуцентов, не справляющихся с количеством и качественным составом образующихся отходов человеческой деятельности.

Сообщество взаимодействующих живых организмов, состоящее из продуцентов, консументов и редуцентов, называется биоценозом. Территория с присущими ей абиотическими факторами, занятая определенным биоценозом, называется биотопом. Биоценоз представлен приспособленными друг к другу растительностью, животными и микроорганизмами. Совокупность биотопа и биоценоза составляет биогеоценоз.

Рис.1. Структура биогеоценоза

Близким по смыслу, а в большинстве случаев и взаимозаменяемым понятием является экосистема. Однако биогеоценоз всегда связан с определенной частью земной поверхности, а экосистемой может быть любая система (понятие "система" означает совокупность не случайно оказавшихся вместе, а составляющих единое целое взаимосвязанных, взаимовлияющих, взаимозависимых компонентов) живых и неживых компонентов.

Экосистема представляет собой необходимую форму существования жизни. Любой организм способен развиваться только в экосистеме, а не изолированно. В свою очередь, каждый биогеоценоз (экосистема) соподчинен и взаимосвязан с другими. Более мелкие и простые экосистемы входят в более крупные и сложные, и все вместе составляют общую систему Жизни – биосферу, которая сама является глобальным биогеоценозом.

В процессе управления природопользованием часто бывает важно правильно установить границы экологических систем. Например, в экосистему реки входит не только она сама, но и весь бассейн ее водосбора или стока. Поэтому деятельность, направленная на охрану реки от обмеления и загрязнения, должна распространяться на охрану верховых болот, мелких притоков, прибрежной растительности и др.

Чем же определяются границы и многообразие экосистем?

Это связано, во-первых, с действием лимитирующих факторов, прежде всего климатических, определяющих, какие именно виды лучше всего приспособлены к существованию тех или иных условий, а во-вторых, с действием принципа эколого-географического максимума видов. Согласно этому принципу, для нормального функционирования любой экосистемы в ней должно существовать столько и таких видов, сколько и каких необходимо для максимального использования приходящей энергии и обеспечения круговорота веществ.

В свою очередь, климатические факторы (прежде всего температура и влажность), количество приходящей энергии тесно связаны с территориальным размещением экосистем, близостью к полюсам или экватору, с рельефом местности. Специфика климатических условий и определяет развитие того или иного биома, т.е. крупного экосистемного подразделения в пределах той или иной природно-климатической зоны. Обычно выделяют такие биомы, как леса умеренного пояса, степи, пустыни, хвойные леса, тундры, саванны и тропические леса. В областях контакта двух биомов образуются переходные полосы – лесотундра, полупустыни и т.д. В таких зонах животные и растения обоих биомов переплетаются и находятся на пределе своих приспособительных возможностей. Поэтому человек должен быть особенно осторожен в своей деятельности в этих районах.

Все процессы, происходящие в биосфере в целом и в каждом живом организме в отдельности, связаны с движением, а для движения нужна энергия.

Определяющей характеристикой жизни как особой формы существования материи является обмен веществ. Обмен веществ отдельных организмов с окружающей их средой в процессе дыхания, питания, различных выделений, или, в более общем виде, круговорот веществ в экосистемах, возможен лишь в процессе использования и передачи энергии. Поток солнечной энергии преобразуется растениями-продуцентами в процессе фотосинтеза в энергию химических связей, которая последовательно переходит с пищей от растений к растительноядным животным, т.е. консументам первого порядка, от них – к консументам второго и более высоких порядков, а также по мере гибели организмов или выделения ими отбросов – к редуцентам.

Если человек полностью убирает с полей все части растений, не только колос, но и стебли с листьями, чтобы отдать их скоту или предотвратить распространение вредителей, то тем самым он лишает энергии и обрекает на гибель микроорганизмы почвы, способствующие восстановлению ее плодородия, и ему придется расплачиваться за это дополнительными затратами энергии на производство и внесение удобрений.

Длина пищевой, трофической, цепи (т.е. ряда организмов, каждое предыдущее звено которого служит пищей следующему), являющейся одновременно цепью передачи энергии, не может быть слишком большой. Она, как правило, не превышает пяти-семи уровней, так как питаться "свободной" солнечной энергией могут только продуценты, составляющие первый трофический уровень. На всех остальных уровнях – травоядные, первичные хищники, вторичные хищники – идет расход этой первоначально накопленной энергии на поддержание обменных процессов, и каждому последующему трофическому уровню достаётся всё меньше и меньше, тем более что значительная часть энергии, согласно второму началу термодинамики, стремится безвозвратно рассеяться в окружающей среде в виде тепла. Поэтому общая масса живого вещества представителей каждого последующего пищевого звена (за исключением редуцентов, которые "вклиниваются" во все звенья) как правило, резко уменьшается, образуя так называемую пищевую (энергетическую ) пирамиду.

Каждой экосистеме и всем организмам в ней необходим постоянный и достаточный приток энергии для поддержания достаточно сложных внутренних связей, без чего невозможно противостоять энтропии, т.е. стремлению энергии перейти не в полезную для организма работу по обмену веществ (или круговороту веществ в экосистеме), а в тепло и рассеяться в пространстве. Вся саморегуляция систем, включая процесс экологического дублирования, направлена на обеспечение нормального прохождения энергии по всей пищевой цепи.

3.1. Эволюция экологических систем
3.2. Популяция
3.3. Плотность и численность популяций
3.4. Закономерности динамики популяции
3.5. Продолжительность жизни