Экосистемы, состав и функциональная структура экосистемы.

Популяции входят в состав сообществ, где они сочетаются с представителями других видов. Многовидовые сообщества организмов в природе – биоценозы образованы так, что обеспечивают круговорот веществ и потоки энергии. Этим достигается устойчивость экосистем.

Каждая экосистема имеет собственное материально-энергетическое обеспечение и структуру, основанную на пищевых (трофических) взаимоотношениях. Структура составлена несколькими группами организмов, каждая из которых выполняет определенную работу в круговороте веществ. Организмы одного звена образуют трофический уровень, а трофические связи между ними образуют цепи питания. В экосистему входят организмы, различаемые по способу питания – автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы – организмы, образующие органическое вещество своего тела из неорганических веществ (углекислого газа, воды, биогенных элементов) в процессах фотосинтеза и хемосинтеза. Автотрофное питание имеют фототрофы и хемотрофы.

Фототрофы превращают солнечную энергию в химическую, заключенную в органических молекулах, из которых построены их ткани. Они составляют основную массу биоты и образуют ее органическое вещество, т.е. являются первичными производителями продукции – продуценты экосистем. Фотосинтез осуществляют зеленые растения и микроорганизмы (эвглена зеленая).

Хемотрофы для синтеза органических веществ используют энергию химических реакций. Хемосинтез наблюдается у некоторых почвенных и водных бактерий, которые используют в качестве источника энергии ферментативное окисление соединений серы, водорода, железа (сероводородные бактерии, железобактерии). Роль хемотрофов в наземных экосистемах сравнительно невелика.

Т.о. синтезированная автотрофами биомасса органического вещества – первичная продукция, а скорость ее образования – биологическая продуктивность экосистемы. Автотрофы образуют первый трофический уровень экосистемы.

Гетеротрофы – организмы, потребляющие готовое органическое вещество других организмов и продуктов их жизнедеятельности. Это животные, грибы, большая часть бактерий. Гетеротрофы выступают как потребители и деструкторы мертвых тел и паразиты, использующие органическое вещество живых организмов.

Сапрофиты используют для питания органическое вещество мертвых тел; к ним относятся: черви (дождевые), насекомые (осы), микроорганизмы (гнилостные бактерии).

Организмы, которые питаются живым органическим веществом хозяина, – паразиты; к ним относятся также черви (гельминты), кровососущие насекомые, патогенные микроорганизмы (стрептококк, холерный вибрион, амеба дизентерийная).

Существует два главных типа пищевых цепей – пастбищные и детритные. В пастбищных пищевых цепях первый трофический уровень занимают продуценты (автотрофы). Они служат пищей (источником вещества и энергии) для консументов.

Консументы – потребители органического вещества организмов; все консументы относятся к гетеротрофам. Консументы I порядка – растительноядные животные (фитофаги), питающиеся растениями. На суше типичными травоядными являются многие насекомые, рептилии, птицы, млекопитающиеся. В водных экосистемах растительноядными являются моллюски, мелкие ракообразные.

Консументы второго порядка – плотоядные животные (зоофаги). Консументы третьего порядка поедают консументов второго порядка. Консументы второго и третьего порядка могут быть хищниками, могут питаться падалью или быть паразитами. Существуют животные со смешанным типом питания. Консументы занимают второй, третий и следующие трофические уровни в экосистеме.

Особенную группу консументов составляют паразиты и с имбиотрофы; в отличие от паразитов, вызывающих заболевания, а иногда и гибель хозяина, симбиотрофы выполняют жизненно важные функции для хозяина. Это мицелиальные грибы-микоризы, участвующие в корневом питании растений, клубеньковые бактерии бобовых, связывающие молекулярный азот воздуха, микробиальное население кишечников и желудков жвачных животных, повышающее перевариваемость и усвоение поедаемой растительной пищи.

Еще одну группу консументов образуют д етритофаги (сапрофаги) – животные, питающиеся мертвым органическим веществом – остатками и продуктами жизнедеятельности растений и животных (черви, членистоногие, клещи, личинки насекомых, жуки-копрофаги) и другие животные, выполняющие функцию очищения экосистем. Детритофаги участвуют в образовании почвы, торфа, донных отложений водоемов.

Тела погибших растений и животных содержат энергию в органическом веществе. Редуценты – бактерии и низшие грибы – завершают деструктивную работу консументов и сапрофагов, доводя разложение органики до ее полной минерализации и возвращая в экосистему молекулярный азот, минеральные элементы и последние порции двуокиси углерода.

Детритная пищевая цепь начинается с отмерших органических остатков и идет далее к организмам, ими питающимися; например: мертвое животное – личинки мух – травяная лягушка.

Все группы организмов в любой экосистеме тесно взаимодействуют между собой в потоках вещества и энергии. Если исчезает одна группа организмов, то по закону цепных реакций может сильно измениться или разрушиться экосистема. Но, бывает, после исчезновения на его месте оказываются другие организмы, выполняющие сходную функцию в экосистеме. Это правило замещения, дублирования. Роль дублеров выполняют менее специализированные, экологически более гибкие, адаптивные. Так, копытных в степи заменяют грызуны, на озерах аистов и цапель – кулики. В соответствии со П правилом термодинамики, на каждом этапе трансформации энергии значительная ее часть рассеивается в виде теплоты.

 

Биотические факторы

Конкуренция – один организм использует фактор, который был бы доступен для другого и мог бы им потребляться. В результате конкуренции одно живое существо лишает ресурса другое, которое при этом имеет больше шансов погибнуть, медленнее расти, оставляет меньшее число потомков. Конкуренция бывает внутри вида (за пищу, жизненное пространство, за полового партнера) или между видами.

Нейтрализм – совместно обитающие виды существуют независимо, их экологические требования различны (полипы и моллюск, рыба прилипала и акула).

Хищничество – тип взаимоотношений, при котором особи одних видов преследуют, убивают и пожирают особей других видов.

Паразитизм – форма межвидовых отношений, при которой организм паразита получает необходимые питательные вещества от хозяина. Паразитизм распространен достаточно широко, начиная от вирусов, бактерий, кончая высшими растениями и многоклеточными животными.

Паразиты подразделяются на облигатных (организмы, для которых паразитический образ жизни является обязательным – гельминты, чесоточный клещ) и факультативных – способных вести свободный образ жизни и лишь при случайном попадании в организм другого вида сохраняют жизнеспособность.

Кроме того, различают временных паразитов – нападающих на хозяина только для питания (кровососущие насекомые, клещи), и постоянных, обитающих внутри (эндопаразитов, обитающих в клетках – вирусы, малярийный плазмодий; тканях или полостях тела – лямблии, гельминты, печеночный, легочный сосальщик); или на поверхностях тела хозяина – эктопаразиты(комары, клещи, вши).

Симбиоз – сожительство организмов разных видов; он имеет разные формы: – комменсализм – форма симбиоза, при котором один организм использует другой, не причиняя ему вреда. Один может использовать другого для защиты, передвижения, питания. – мутуализм – форма симбиоза, взаимополезное сожительство организмов разных видов, присутствие партнера является обязательным условием существования каждого из них.

Зоохория – форма межвидовых отношений, при которых животное содействует растениям и распространении плодов и семян.

Аллелопатия – это взаимодействие организмов посредством специфически действующих химических продуктов обмена веществ, которые выделяются во внешнюю среду.

Примеры пищевых цепей: фитопланктон–зоопланктон–планктонофаги (черви, ракообразные, моллюски, иглокожие–рыбы (два-три звена)–тюлени–белый медведь. Совокупность трофических уровней моделируются трофическими пирамидами биомасс и энергии.

В наземных экосистемах биомасса растений всегда больше биомассы животных, биомасса фитофагов всегда больше биомассы зоофагов.

Устойчивость экосистемы тем больше, чем больше она по размеру, чем богаче и разнообразнее ее видовой и популяционный состав. Но экосистемы способны к изменениям, к развитию, переходу от более простых к более сложным формам. Масштабные изменения под влиянием природных катастроф или антропогенным, приводят к последовательным изменениям биоценозов – сукцессиям (англ. последовательность).

Наземные экосистемы природно-климатической зоны имеют общую структуру и образуют биомы. Тундры и лесотундры, таежные и горные хвойные леса, лиственно-хвойные леса, широколиственные, субтропические, влажные тропические леса, саванна, степи, прерии, пустыни, пашни, обрабатываемые земли, окультуренные пастбища, воды суши, полярные горные ледники – это основные биомы Земли. 94% всей биомассы Земли сосредоточено в лесах, 10% составляют обрабатываемее земли.

 

Биосфера

Биосфера – приземный слой атмосферы (несколько десятков м над поверхностью растительного покрова или над океаном), поверхностные слои земной коры(по горизонту грунтовых вод, гидросферу Земли (в океане – фотический слой около 100 м). Биота биосферы обуславливает большую часть химических превращений на планете. В.И. Вернадский об огромной преобразующей геологической роли живого вещества.

Биомасса, продуктивность и основные функции биосферы. Суммарная биомасса биосферы (на сухое вещество) около 2 трлн т. Общее количество энергии, преобразуемое биотой 10²² Дж. Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей растения и другие организмы выполняют фундаментальные биогеохимические функции.

Газовая функция. Живые организмы постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой в процессах фотосинтеза и дыхания. Растения сыграли решающую роль в смене восстановительной среды на окислительную в геохимической эволюции планеты, в формировании газового состава атмосферы. Они контролируют концентрации кислорода и углекислого газа, оптимальные для биоты.

Концентрационная функция. Живые организмы осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов. Ранние этапы эволюции проходили в водной среде. Организмы научились извлекать из водного раствора вещества, многократно увеличивая их концентрацию в своем теле.

Окислительно-восстановительная функция живого вещества. Живые клетки имеют в своем составе активные катализаторы химических процессов, например, окислить молекулярный азот в миллионы раз быстрее, чем в лабораторный условиях.

Информационная функция живого вещества биосферы. Организмы способны к получению информации путем соединения потока энергии с активной молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию совершила эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системо образующим фактором. Суммарный запас генетической информации оценивается в 10¹⁵ бит, общая мощность потока молекулярной информации биосферы 10³⁵ бит/с.

Перечисленные функции живого вещества биосферы обращены в внешним факторам существования, вместе они образуют мощную средообразующую функцию. Работа растений обусловила состав атмосферы. От состава атмосферы зависит радиационный и тепловой режим на планете, спектральный состав солнечного света. Растительный покров определяет водный Балан, распределение влаги и климатические особенности местности. Живые организмы играют решающую роль в самоочищении воздуха, воды, почвы. Благодаря растениям образовалась почва, поддерживается ее плодородие.

Биота одарила человека пищей, одеждой, др. Средообразующая функция биосферы связана с средорегулированием. Биота формирует и контролирует состояние окружающей среды.