Изучение характеристик экосистем

 

Цель работы:

Познакомить студентов с основными понятиями экологии и структурой экосистем.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

Наша планета Земля - уникальное явление в солнечной системе и известных галактиках. По современным представлениям Земля возникла 4,5 млрд. лет назад, а жизнь на Земле существует 3,5 млрд. лет. До сих пор история возникновения жизни на Земле находится на стадии гипотез. Одни ученые говорят о возможности возникновения и развития органической жизни из неорганической материи за счет условий, сложившихся на Земле, другие - не исключают возможность занесения жизни на нашу планету из космоса.

Современная жизнь во всем ее многообразии развилась в результате длительной эволюции.

В 1875 г. профессор Венского университета Э. Зюсс ввел в науку понятие биосфера. Биосфера (от греч. " bios " - жизнь, " sfera " - шар) - сфера существования живых организмов, включающая части атмосферы, гидросферы и литосферы.

Современное учение о биосфере создано В.И. Вернадским. Биосферой он называл совокупность тех составляющих планеты, в которых существует или когда-либо существовала жизнь, и которые подвергаются или подвергались воздействию живых организмов.

Участие каждого отдельного организма в геологической истории Земли ничтожно мало. Однако живых существ на Земле бесконечно много и они обладают высоким потенциалом размножения, активно взаимодействуют со средой обитания и в конечном счете представляют в глобальных масштабах фактор, преобразующий верхние оболочки Земли.

Толщина биосферы достигает 40 - 50 км. Она включает часть атмосферы до высоты 20 - 25 км (до озонового слоя), практически всю гидросферу (11 км) и литосферу - до 4 км.

В состав биосферы, кроме живого вещества - растений, животных и микроорганизмов, входят: биогенное вещество - продукт жизнедеятельности живых организмов - осадочные породы органического происхождения (нефть, каменный уголь, торф, карбонаты и др.); косное вещество - горные породы магматического происхождения, космическая пыль, минералы, вода и др., и биокосное вещество - продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами (почва, природная вода и др.).

Итак, биосфера – это система с прямыми и обратными связями (отрицательными и положительными), которые обеспечивают ее функционирование и устойчивость.

Биосфера – открытая система, она не может существовать без поступления энергии извне.

Биосфера – саморегулирующаяся система, для которой характерна организованность.

Биосфера – система, характеризующаяся большим разнообразием, а разнообразие – основное условие устойчивости любой экосистемы и биосферы в целом (закон У. Р. Эшби).

Биосфера имеет механизм, обеспечивающий круговорот веществ, а следовательно, неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений. Только благодаря круговоротам обеспечивается непрерывность процессов в биосфере.

В середине ХIX века ученые систематизировали принципы взаимодействия растений и животных между собой, а также и с окружающей средой. Эту область биологии Э. Геккель (1866 г.) назвал экологией (от греч. oicos - дом, logos - наука). В настоящее время понятие экология более широкое - это наука о взаимодействии живых организмов между собой и с окружающей их средой. Принципы экологии применимы и к человеку, причем в глобальных масштабах. Эту составляющую экологии назвали наукой об окружающей среде.

Окружающая среда - совокупность факторов живой и неживой природы, прямо или косвенно воздействующих на организм. Различают биотические и абиотические факторы.

Биотические факторы (факторы живой природы) – это влияние одних организмов или сообществ на другие.

К биотическим относятся: фитогенные (растительные организмы); зоогенные (животные); микробиогенные (вирусы, простейшие, бактерии) и антропогенные (деятельность человека) факторы.

Абиотические (или физико–химические) – факторы неживой природы.

К абиотическим факторам относятся: климатические (свет, температура, влажность, движение воздушных масс, давление); структурные (механический состав, плотность, воздухопроницаемость, влажность); орографические (рельеф, высота над уровнем моря), химические (состав воздуха и воды, кислотность и состав почвы).

Антропогенные факторы, в силу их более значительного влияния на окружающую среду, выделяют в отдельную - третью группу факторов. Антропогенные факторы - это те формы деятельности человека, которые воздействуют на естественную природную среду, изменяя условия обитания живых организмов, или непосредственно влияют на отдельные виды растений и животных.

Биоценоз – совместно обитающие популяции всех живых организмов на определенной территории.

Биотоп - природное, жизненное пространство, занимаемое определенным биоценозом. Это понятие включает не только вещества, но и физико-химические факторы (температуру, освещенность, химический состав и т.д.).

Например, в экосистеме "озеро" к биотопу можно отнести: воду, донные отложения, а к биоценозу - фитопланктон, зоопланктон, рыб и т.д. На суше биотоп включает не только минеральные элементы почвы, но и микроорганизмы, живущие в ней и участвующие в круговороте простых веществ.

Биотоп и соответствующий ему биоценоз образуют экологическую систему. Экосистемы могут быть различны по размеру: капля воды, лес, пень, озеро. Экосистемы - безразмерные, устойчивые системы живых и неживых компонентов, в которых совершаются внешний и внутренний круговороты веществ и энергии.

Между экосистемами существуют связи, но всегда менее важные, чем между организмами внутри системы.

Близким понятием "экосистеме" является "биогеоценоз" (рис.1.1).

Биогеоценоз - это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горных пород, растительности, животного мира, микроорганизмов), имеющая свою особую специфику взаимодействия слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией. Внешние границы биогеоценозов чаще всего совпадают с границами растительных сообществ.

Естественные экологические системы (биогеоценозы) стабильны и существуют длительное время. Состояние подвижно-стабильного равновесия экосистемы носит название гомеостаза.

В естественных экосистемах гомеостаз поддерживается тем, что они открыты, т.е. постоянно обмениваются веществом и энергией с окружающей средой. В антропогенных, созданных под влиянием человека, системах, для поддержания гомеостаза необходимо вмешательство (управление) людей.

Несмотря на то, что естественные экосистемы находятся в состоянии гомеостаза, под действием внешних факторов они претерпевают медленные изменения во времени. Такая последовательная смена одного биоценоза другим носит название сукцессии. Например, заброшенную пашню сначала осваивают травянистые растения, затем кустарники, светолюбивые деревья (березы), а потом хвойные деревья.

 

 

Рис.1.1. Схема биогеоценоза (экосистемы)

 

Все живые организмы существуют в форме популяций.

Популяция - совокупность особей данного вида, в течение длительного времени населяющих определенную область географического пространства, связанных между собой определенными взаимоотношениями и приспособленных к жизни в условиях данного места обитания (биотопа). Воздействуя на биоценоз, человек воздействует не на отдельные организмы (особи), а на всю популяцию в целом.

В каждой экосистеме есть два основных компонента: организмы и факторы окружающей их неживой среды. Всю совокупность организмов (растений, животных, микробов) называют биотой экосистемы.

 

Биотическая структура

Несмотря на громадное разнообразие экосистем (от тундры до пустынь), всем им свойственна примерно одинаковая биотическая структура, все они включают одни и те же составляющие. Это продуценты, консументы и деструкторы.

Любая экосистема включает несколько трофических (пищевых) уровней.

Продуценты (от лат. produsena – создающий) - это в основном зеленые растения автотрофы (от греч. autos – сам; trofo – пища), которые под влиянием солнечной энергии в процессе фотосинтеза с помощью хлорофилла из воды и СО₂ образуют сахара и в качестве побочного продукта выделяют кислород (О ₂). Кроме того, к продуцентам относят и хемоавтотрофы - организмы, использующие в качестве питания углерод неорганических соединений и энергию химических превращений одних веществ в другие (азотофиксирующие бактерии).

Консументы - гетеротрофные организмы (от греч. getoros – другой) - потребители органического вещества, созданного автотрофами. К первичным консументам относятсяорганизмы, питающиеся травой, фитофаги (от греч. fiton – растение, fagos – пожирающий) и паразиты зеленых растений. Среди травоядных в наземной среде преобладают насекомые, грызуны и копытные, а в водной - мелкие ракообразные и моллюски. Вторичные консументы питаются травоядными. Состав вторичных консументов разнообразен: здесь хищники, убивающие жертву (зоофаги), трупоеды (некрофаги ), паразиты и др.

Мертвые растения и животные остатки (опавшие листья, фекалии, детрит) служат пищей консументам - детритофагам (гриф, земляные черви, муравьи). И наконец, редуценты (деструкторы) - организмы, разлагающие органические вещества до простых неорганических - преимущественно микроорганизмы (бактерии, дрожжи, грибы-сапрофиты). Идет процесс, обратный процессу фотосинтеза – распад органических молекул в клетке с выделением энергии, необходимой для жизнедеятельности (клеточное дыхание).

Детритофаги и редуценты играют в биосфере одну и ту же роль - питаются мертвым органическим веществом. Они, в свою очередь, также являются объектом питания. Таким образом, все в природе связано посредством пищевых цепей (или пищевой сети, т.к. одним и тем же веществом питаются сотни, тысячи организмов).

Существуют также симбиотрофы - организмы, ведущие совместный образ жизни. Классический пример: лишайники, представляющие тесное взаимовыгодное сосуществование грибов и водорослей.

Продуценты, первичные, вторичные консументы, детритофаги и редуценты находятся на разных уровнях этой общей схемы, называемых трофическими (пищевыми) уровнями (обычно 3 - 4 уровня).

 

 

 

 

Рис. 1.2. Пирамида биомассы

 

На каждом трофическом уровне биомасса на 90-99 % меньше, чем на предыдущем. К примеру, если биомасса продуцентов составляет 10 т, то фитофагов около 100 кг, а плотоядных около 10 кг.

Таким образом, очевидно, что без непрерывного образования органического вещества экосистема быстро бы ²съела² сама себя и прекратила существование.

Разложение и горение - это процессы, обратные росту, при которых из сложных органических молекул строятся простые неорганические вещества, например, окисление сахара (глюкозы):

С₆Н₁₂О₆ + 6 О₂ = 6 СО₂ + 6 Н₂О

Здесь мы наблюдаем закон сохранения массы, который можно сформулировать так: атомы в химических реакциях никогда не исчезают, не образуются вновь и не превращаются друг в друга, они только перегруппируются с образованием различных молекул и соединений.

Однако химическая реакция - это не только перегруппировка атомов, здесь одновременно происходит поглощение и выделение энергии, т.е. бесконечный круговорот веществ и энергий в природе.