Экосистема и ее компоненты

Понятие экосистемы

Любое единство, включающее все организмы на данном участке и взаимодействующее с физической средой таким образом, что поток энергии создаёт чётко определённую трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ (обмен веществами и энергией между биотической и абиотической частями) внутри системы, представляет собой экологическую систему, или экосистему (Ю. Одум, 1971)

Экосистема — система физико-химико-биологических процессов (А. Тенсли, 1935 год).

Сообщество живых организмов вместе с неживой частью среды, в которой оно находится, и всеми разнообразными взаимодействиями называют экосистемой (Д. Ф. Оуэн.)

Любую совокупность организмов и неорганических компонентов окружающей их среды, в которой может осуществляться круговорот веществ, называют экологической системой или экосистемой (В. В. Денисов.)

Биогеоценоз (В. Н. Сукачев, 1944) — взаимообусловленный комплекс живых и косных компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергии.

Биогеоценоз и экосистема.

В соответствии с определениями между понятиями «экосистема» и «биогеоценоз» нет никакой разницы, биогеоценоз можно считать полным синонимом термина экосистема. Однако существует распространённое мнение, согласно которому биогеоценоз может служить аналогом экосистемы на самом начальном уровне, так как термин «биогеоценоз» делает больший акцент на связь биоценоза с конкретным участком суши или водной среды, в то время как экосистема предполагает любой абстрактный участок. Поэтому биогеоценозы обычно считаются частным случаем экосистемы. Разными авторами в определении термина биогеоценоз перечисляются конкретные биотические и абиотические компоненты биогеоценоза, в то время как определение экосистемы носит более общий характер.

Строение экосистемы (биогеоценоза) по Реймерсу Н. Ф.

В экосистеме можно выделить два компонента — биотический и абиотический. Биотический делится на автотрофный (организмы, получающие первичную энергию для существования из фото- и хемосинтеза или продуценты) и гетеротрофный (организмы, получающие энергию из процессов окисления органического вещества — консументы и редуценты) компоненты, формирующие трофическую структуру экосистемы.

Единственным источником энергии для существования экосистемы и поддержания в ней различных процессов являются продуценты, усваивающие энергию солнца, (тепла, химических связей). Автотрофы представляют первый трофический уровень экосистемы. Последующие трофические уровни экосистемы формируются за счёт консументов (2-ой, 3-й, 4-й и последующие уровни) и замыкаются редуцентами, которые переводят неживое органическое вещество в минеральную форму (абиотический компонент), которая может быть усвоена автотрофным элементом.

Микроэкосистемы

Небольшие автономные «миры», или микрокосмы, в бутылях или других сосудах могут имитировать в миниатюре природу различных экосистем. Эти небольшие «миры» можно рассматривать как микроэкосистемы. Некоторые примеры микрокосмов показаны на рис.

2.17, 2.18 и 2.19. Создание небольших, полностью закрытых систем, нуждающихся лишь в одной световой энергии (своеобразные миниатюрные биосферы), — очень сложная задача (см. следующий раздел). Экспериментальные микрокосмы обычно варьируют от частично закрытых систем, в которых происходит газообмен с атмосферой, но не происходит обмена биогенными элементами и организмами, до полностью открытых систем, включающих сообщества организмов, содержащихся в различных хемостатах и турбидостатах с регулируемым притоком и оттоком биогенных элементов и организмов (рис. 2.17,А). В хорошо смоделированных микрокосмах можно наблюдать многие или даже почти все основные функции и трофические структуры природной экосистемы, однако в силу необходимостп разнообразие и размеры компонентов таких микрокосмов крайне невелики. Преимущества микроэкосистем для исследователя заключаются в том, что они имеют четкие границы, легко воспроизводимы и удобны для экспериментов. He следует, однако, думать, что микрокосмы представляют собой копии той или иной конкретной экосистемы, это всего лишь живые работающие модели (упрощения) природы.
Можно выделить два типа биологических микрокосмов: I) микроэкосистемы, взятые непосредственно из природы путем множественного засева культуральной среды пробами из различных природных местообитаний, и 2) системы, созданные путем сочетания видов, выращенных в «чистых», или аксенических, культурах (свободных от других организмов), пока не получится желаемая комбинация. Системы первого типа — это, в сущности, «демонтированная» или «упрощенная» природа, сведенная к тем микроорганизмам, которые могут длительное время поддерживаться и функционировать в условиях выбранного экспериментатором сосуда, культуральной среды, освещенности и температуры. Такие системы, следовательно, обычно имитируют какие-то определенные природные ситуации. Например, микрокосм, показанный на рис. 2.17,5, происходит из очистного пруда; на рис. 2.19 —из сообщества, живущего на залежи. Одна из проблем, возникающая при работе с такими производными экосистемами, состоит в том,, что трудно определить их точный видовой состав, особенно состав бактерий (Gorden efc al., 1969). Начало использованию в экологии производных или «множественных» систем положили работы Г. Одума и его учеников (Н. Odum, Hoskins, 1957; Beyersv 1963).
При втором подходе путем подбора первоначально изолированных и тщательно изученных компонентов создается система с известным составом. Получаемые при этом культуры часто называют гнотобиотическими , поскольку здесь точно известен состав и даже то, присутствуют или отсутствуют бактерии. Гното- биотические культуры прежде использовали главным образом для изучения питания, биохимии и другйх аспектов жизни отдель-

Рис. 2.17. Три типа лабораторных микроэкосистем. А. Простой недорогой хемостат, в котором поток питательной среды (б) через камеру с культурой (в) и сосуд для излишков (г) регулируется изменениями электрического тока, подаваемого в электролизный насос (а). В турбидостате регуляция стационарного состояния достигается с помощью измерительного элемента, помещенного в культивируемое сообщество, который реагирует на плотность организмов (мутность среды). Это пример внутренней регуляции в противоположность внешней регуляции с постоянным входом в хемостате (Carpenter, 1969). Б. Гнотобиотический микрокосм (или микрокосм с известным составом), содержащий три вида из аксенической (чистой) культуры. Пробирка служит для водорослей местом, где они могут размножаться без риска быть съеденными рачками (так предупреждается, как полагают, «пере- выпас» рачков на водорослях) (Nixon, 1969). В. Микроэкосистема, получен* ная из естественной экосистемы путем многократного пересева (Beyers, 1963). Система А «открыта», а системы Б ж В «закрыты» для потоков веществ, но открыты для поступления световой энергии и газообмена с атмосферой. Равновесие в закрытых системах, если оно достигается, обеспечивается регуляцией сообществом круговорота элементов питания, а не механическими регулирующими устройствами, как в хемостате или турби* достате. Заказ № 1383

ных видов и штаммов или для изучения взаимодействия двух видов (см. гл. 7). Однако в последнее время экологи начали экспериментировать с более сложными полиаксеническими культурами в поисках путей построения автономных экосистем (Nixon, 1969; Taub, 1969, 1974).
Эти два противоположных подхода к созданию лабораторных микроэкосистем параллельны двум давно существующим подходам (холистическому и мерологическому) экологов к изучению озер и других больших систем, существующих в природе.
Существует широко распространенное заблуждение относительно «равновесия» в аквариуме с рыбами. Вполне возможно достигнуть некоторого приблизительного равновесия газового и пищевого режима при условии, что в нем мало рыб, а воды и растений много. Еще в 1851 г. Дж. Уорингтон «установил это удивительное и восхитительное равновесие между животным и растительным царствами» в аквариуме объемом 12 галлонов (54,6 л), поселив в нем несколько золотых рыбок, улиток и большое количество валлиснерии (водное растение), а с ними и множество разнообразных микроорганизмов. Уорингтон правильно оценил не только взаимодействие рыб и растений, но и отметил значение детритоядных улиток «в разложении остатков растений и водорослевой слизи», в результате чего «то, что иначе могло бы действовать как ядовитое начало, превращается в плодородную среду для роста растений». Большинство попыток любителей добиться равновесия в аквариуме терпит неудачу из-за того, что для наличного количества ресурсов в аквариум помещают слишком много рыб (диагноз: элементарный случай перенаселе- ния). В табл. 2.2 показано, что для полного самообеспечения одной рыбе среднего размера требуется много кубических метров воды и организмов, служащих пищей. Поскольку аквариум обычно держат дома, на работе или в школе ради «наблюдения за рыбами», помещая большое число рыб в малом пространстве, необходимо дополнительное питание, аэрация и периодическая очистка аквариума. Иными словами, аквариумисты-любители должны забыть об экологическом равновесии и предоставить спе- циалистам-экологам заниматься автономными микрокосмами. Рыбам и людям требуется больше места, чем можно было бы предполагать!
Обширные искусственные бассейны для водных экосистем и различные вместилища для наземных местообитаний служат примером все чаще используемых экспериментальных установок, промежуточных между лабораторными культурами и миром реальной природы. Эти внелабораторные экспериментальные установки можно рассматривать как мезокосмы («миры» средней величины) в отличие от микрокосмов и естественных экосистем — «макрокосмов». На рис. 2.18, А показан ряд больших цилиндров, уста-

Рис. 2.18. Крупные экспериментальные экосистемы, находящиеся под открьь тым небом, или мезокосмы. А. Несколько высоких цилиндров на берегу залива Наррагансетт (шт. Род-Айленд). В них моделируются условия и сообщества, характерные для неглубокого морского залива, что позволяет наблюдать результаты вводимых в эксперименте изменений, например добавления загрязняющих веществ. В. Плавающие пластиковые камеры (на фотографии видны лишь три такие камеры), достаточно большие для того, чтобы в них можно было поместить значительное число компонентов, обитающих в природных условиях в толще воды (включая мелкую рыбу). Снимок сделан в одном из заливов Британской Колумбии.

новленных на берегу залива Наррагансетт на острове Род-Айленд и представляющих собой морские мезокосмы. Каждый цилиндр наполнен водой, имеющей тот же химический состав и соленость, что и в заливе; с помощью поршневого насоса вода в цилиндрах приводится в слабое движение, имитирующее потоки воды, которые обычно существуют в морских бухтах, подверженных приливным и другим течениям. На дно цилиндра помещают осадок, взятый со дна залива; между каждым цилиндром и заливом происходит обмен водой и организмами (время оборота для воды один месяц). По мнению Пилсома и Никсона (Pilsom, Nixon, 1980), эти мезокосмы очень точно отражают сезонные изменения в поведении организмов и метаболизме сообщества (продукции и дыхании), происходящие в заливе в естественных условиях.
Обзор «микросистемного подхода в биологии экосистем» и рассмотрение противоречий равновесного аквариума содержит работа Бейерса (Beyers, 1964). Более новые исследования отражены в трудах симпозиумов, вышедших под редакцией Уитта и Гилберта (Witt, Gilbert, 1978) и Джизи (Giesy, 1980).
И лабораторные, и внелабораторные модельные экосистемы полезны для приблизительной или предварительной оценки влияния загрязнений или других экспериментальных воздействий, связанных с деятельностью человека. Было выяснено, например, что нефть, введенная в морские мезокосмы, показанные на рис. 2.18,4, с целью моделирования умеренно сильного ее разлива, более токсична для консументов, чем для продуцентов. В результате из-за уменьшения численности зоопланктона и ослабления его давления на фитопланктон возрастает численность последнего: цилиндр, в который добавили нефть, заметно зеленеет по сравнению с контрольным. Это изменение трофической структуры повлекло за собой, как и следовало ожидать, усиление микробного разложения, продолжавшегося до тех пор, пока не были разрушены полностью органические вещества нефти и не приостановился усиленный рост водорослей. Плавучие мезокосмы, показанные на рис. 2.18, Б, устроены специально для изучения действия разных загрязнений.
Эти эксперименты позволяют сделать следующий общий вывод. Морские модельные экосистемы реагируют на низкие концентрации токсичных веществ так же, как естественные сообщества реагируют на нехватку питательных веществ. Таким образом, эффект постоянного загрязнения сходен с эффектом «голодания»: продуктивность системы и общая интенсивность ее функционирования снижаются.
Исследования микроэкосистем оказались также полезными для проверки различных экологических гипотез, разработанных на основе наблюдений в природе. Например, наземный микрокосм, ,показанный на рис. 2.19, был разработан для проверки гипотезы,

Рис. 2.19. Лабораторный наземный микрокосм. Керн почвы с растительностью, взятый с заброшенного поля, помещен в прозрачный сосуд. Метаболизм сообщества постоянно регистрируется путем измерения потоков CO2 с помощью инфракрасного газового анализатора. Так как стрессовые воздействия часто нарушают круговорот минеральных веществ, количество вымываемых веществ, собираемое со дна почвенной колонки, может служить мерой того или иного стрессового воздействия (Van Voris et al., 1980).

согласно которой высокое функциональное разнообразие увеличивает способность системы сопротивляться острому стрессу или восстанавливаться после него (или и то и другое). Результаты такого эксперимента подтвердили эту гипотезу (Van Voris et al.,
>Экосистемы: естественные и искусственные

Определение понятия

Виды экосистем, их типы и составные части – это тот инструмент, который дает возможность не только их изучать, понять место человека в биосфере, степень и последствий его влияния, но, что еще более важно, как защитить, помочь им противодействовать различным воздействиям и сохранить свою устойчивость, то есть продолжить существовать. Сможет ли жить человек на планете Земля, если не будет экосистем, не будет биосферы в нынешнем их виде и понимании?

Экосистема – это пространство или объем, который наполнен живым и неживым веществом. Эти вещества взаимодействуют между собой и влияют друг на друга. В структуре живого вещества происходит постоянный обмен химическими элементами и энергией, а также взаимодействия иного рода.

Экологическую систему необходимо рассматривать в двух плоскостях. Во-первых, это система, которая состоит из частей, взаимодействующих между собой и, потому, представляющая собой единое целое. Во-вторых, это место пребывания или обитания живых организмов. На этом основании, можно выделить ряд критериев, по которым определить виды, составляющие и типы экосистемы.

Структура и составные части

Она состоит из двух веществ – живого или биотического и неживого или абиотического.

К биотическому компоненту относятся автотрофные организмы, то есть те, которые получают энергию из реакций фото- и хемосинтеза. Эти живые организмы называют продуцентами. И гетеротрофные. Эти добывают энергию из процесса окисления органического вещества. Называют их консументы или потребители и редуценты или разрушители.

Все они – продуценты, консументы и редуценты – звенья пищевой цепи.

  • Продуценты существуют за счет энергии Солнца и производят из неорганических соединений органические, то есть пригодные для питания следующих звеньев. Они стоят на нижней ступени трофической лестницы. Над ними — потребители и разрушители.
  • Потребителями являются все звенья этой цепи, кроме последнего, на котором происходит переработка органического вещества и превращение его в неорганическое. Этим занимаются могильщики – разрушители.
  • Производители – это зеленые растения, разрушители – грибы, бактерии, черви, личинки насекомых и микроорганизмы. Все остальные – потребители.

Еще живые организмы можно разделить питающихся живыми организмами или биофаги и тех, кто неживыми, но органическими, или сапрофаги.

К абиотической составляющей относится: температурный режим, влажность, освещенность, физические свойства среды обитания и так далее.

Кроме этих двух основных составных частей, она еще содержит вещества и соединения, связывающие живое и неживое.

Виды

Виды экосистем различают по размеру, месту, влиянию внешних факторов, происхождению, источнику энергии, способности к саморегулированию, восстановлению и равновесию.

В зависимости от размера можно выделить малые, средние и крупные, а также биосферу. По месту своего размещения, они могут находиться на суше или в воде. Они бывают океанские, морские, речные, озерные и так далее. Различаются в зависимости от влияния внешних факторов, особенно температуры, количества осадков и солнечной энергии. Есть естественные, природного происхождения, а с недавнего времени стало все больше появляться искусственных. Их называют антропогенными. Источник их происхождения — человек. В биосфере основная масса экосистем существует за счет потребления солнечной энергии. Лишь незначительная часть биосферы использует в качестве основного, а иногда и единственного, источника энергии органические остатки. Самым главным критерием разделения является их способность к саморегулированию, восстановлению и равновесию, то есть к живучести. Их два вида: независимые и зависимые.

По биологическому составу или видовому разнообразию: с доминирование растительного мира и без такового.

Можно выделить еще критерии, по которым можно делить на виды. Например, по биологическому составу или видовому разнообразию. С доминированием растений. Сложные, где насчитывается десятки и сотни видов флоры и фауны ли простые, в которых разнообразие минимально.

Типы

Типы экосистем несут в себе признаки нескольких видов. Например, наземные несут в себе признаки естественной, сухопутной, саморегулирующейся, независимой. Основными факторами, влияющими на нее и ее видовой состав, являются температура и влажность.

Севернее всех расположились тундры. Среднегодовая температура в этой зоне около 00С. Осадков выпадает до 300 мм в год. Растительный мир скудный. Деревьев нет. В основном растут мхи, травы, лишайники и карликовые кусты. Мир животных насчитывает несколько видов. В основном крупные травоядные и небольшие хищники. Птицы – сова, ржанка и пуночка. Большое количество различных насекомых, особенно двукрылых. Почвы бедные, с тонким плодородным слоем. Экосистема слабая, уязвимая, трудно и долго восстанавливается.

Южнее тундры идет зона тайги. Температура среднегодовая низкая. Осадки обильные, но в основном в виде снега. Доминируют вечнозеленые хвойные леса. Это ель, сосна, лиственница. Животный мир значительно богаче. Есть крупные и травоядные и хищники. Почвы подзолистые, но по-прежнему бедные и малопродуктивные. Много болот и озер.

Еще южнее – листопадные или широколиственные леса. Как и в тайге доминирует растительный мир, но деревья сбрасывают листья. Среднегодовая температура существенно выше. Осадков выпадает до 1500 мм в год. Большое видовое разнообразие животных, птиц и насекомых. Почвы бурые и лесные, богатые и плодородные. Экосистема сильная, хорошо сопротивляется и адаптируется.

В этой же умеренной зоне располагаются степи, прерий, чапараля и саванны. Некоторые климатические различия, а также видовой состав растений и животных зависит от местонахождения. Летние температуры высокие. Зимой может быть ниже 00С. Осадков выпадает до 700 мм в год. Почвы черноземы, каштановые, красные и сероземы.

Экосистема пустыни подвергается сильнейшему абиотическому воздействию. Температуры днем очень высокие, а ночью опускаются значительно ниже 00С. Осадков в год выпадает до 200 мм растения низкорослые с сильной и глубоко проникающей корневой системой. Животный мир представляют многочисленные виды грызунов и пресмыкающихся. Копытные – антилопы, куланы и другие копытные. Хищники – волк, койот. Почвы светло-бурые и сероземы, легко подвергаются любому виду эрозии. Экосистема очень хрупкая.

Тропические леса. Их два вида. Листопадные и вечнозеленые. Листопадные располагаются в местах, где сухой сезон сменяется влажным. Среднегодовое количество осадков до 1300 мм. Здесь господствуют деревья верхнего яруса. Остальной растительный мир, также как и животный, богат и разнообразен. Почвы красные ферраллитные. Тип экосистемы очень устойчивый, сильный и независимый.

Экватор Земли занимают вечнозеленые дождевые леса. Среднегодовая температура +170С. Количество осадков 2500 мм в год. Среди растений преобладают деревья разной высоты. Кустарников и травы практически нет. Видов животных больше чем во всех типах экосистем вместе. Почвы красно-желтые, бедные и малопродуктивные. Экосистема очень уязвимая и хрупкая.

Следующие типы экосистем водные, а именно пресноводные и морские. Главное отличие – содержание соли в воде.

Мир живых организмов пресноводных экосистем зависит от степени освещенности. Водная толща разделена на вертикальные пласты по количеству проникающих в нее солнечных лучей. Верхняя часть водоемом, где света не менее 1%, называется эвфоническая. Та, где света нет, профундальная или афотическая. Пресноводные бывают как природные, так и искусственные. К природным относят озера, реки, ручьи, родники и болота. К искусственным – пруды, водохранилища.

Морские всегда природные. Большая по территории экосистема открытого океана. Ее животный и растительный мир очень беден. Несколько разнообразнее воды арктических и антарктических широт. В трофической цепи океана продуцентом является фитопланктон. Потребителем зоопланктон, которым питается нектон.

На глубине около 3000 м и ниже образовалась экосистема глубоководных рифов. Свет в такие толщи воды не поступает. Здесь огромное давление и низкая температура. Недостаточно пищи и много сероводорода, горячих подземных вод и ядовитых металлов. Но живые организмы существуют и здесь. Есть рыбы, гигантские черви, моллюски, крабы и креветки. Этот тот вид экосистем, которые в качестве энергии не используют солнечный свет. Продуценты в глубоководных зонах – это сероводородные бактерии.

Прямой противоположностью глубоководным выступает континентальный шельф. Его флора и фауна обильна и богата. Ее разнообразие выше, чем даже в тропических лесах.

К морским можно отнести прибрежные зоны, разница у которых состоит в том, откуда поступает питание или биогенное вещество. У одних оно поднимается с глубины океана – это апвеллинг, в других привносится с суши – это аутвеллинг.

Прямой противоположностью природным являются антропогенные экосистемы. Им не присущи качества многих видов экосистем.

Искусственные

Искусственные или антропогенные экосистемы утратили или не имеют большинства качеств, присущих природным видам.

По источнику своего возникновения, есть антропогенные экосистемы, которые стали таковыми после длительного влияния и существенного воздействия человека на природные. Есть другой тип искусственных, когда они изначально создавались и полностью формировались под цели и желания человека. К первому типу можно отнести агроэкосистемы. Ко второму – аквариумы и тому подобные небольшие системы. Урбоэкосистема или городская может быть и первого и второго типа.

Агроэкосистемы появились в связи с необходимостью человечества во все большем количестве пищи. Изначально использовались природные системы, в основном под сенокосы и пастбища. Со временем их стали использовать под пашни. Когда продуктивность почвы падала и не давала требуемого результата, а возможности территориального расширения сельскохозяйственных угодий не было, степень воздействия человека стал таким интенсивным, что привел к ее полной от него зависимости. Природная утратила свои свойства. Теперь это стала искусственная, основными признаками которой стали: чрезвычайное скудное видовое разнообразие, короткие или неполные пищевые цепи. Появился дополнительный источник энергии. Кроме солнечной, стала использоваться энергия, произведенная человеком. Естественный отбор уступил место искусственному. Основные параметры которого задает человек, а не законы природного выживания. В итоге произошла полная потеря способности системы к саморегулированию и самовосстановлению. Ее существование без внимания и помощи человека стало невозможным. Примеров того, что произошло там, где человек перестал ими интересоваться и бросил, масса. Самым наглядным может быть Аральское море. Что уже говорить про аквариумы? Что касается городов, то уход из них людей в далеком прошлом приводил к восстановлению природной среды. Но это было в прошлом. Антропогенные экосистемы занимают все большие площади на планете.

Естественная экосистема может в любой момент превратиться в искусственную и потерять все свои положительные качества, а самое главное способность к самостоятельному выживанию.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *