Структура экосистемы и ее элементов

Экосистему можно определить как совокупность популяций различных видов растений, животных и микроорганизмов, взаимодействующих между собой и окружающей их средой таким образом, что эта совокупность сохраняется неопределенно долгое время.

Природные экосистемы могут быть водными и наземными, разного объема и протяженности: лужа с ее обитателями, река, пруд, озеро, океан, луг, роща, тайга, степь – все это примеры разномасштабных экосистем. Более мелкие экосистемы входят в состав все более крупных, вплоть до общей экосистемы Земли. Очень крупные наземные экосистемы называются биомами (тропические леса, пустыни, тайга, тундра). Также в зависимости от масштаба выделяют микроэкосистемы (подушка лишайника), мезоэкосистемы (пруд, озеро), макроэкосистемы (океан) и глобальную экосистему (биосфера Земли).

Термин «экосистема» введен английским ботаником А. Тенсли (1935) и применим как к природным, так и к искусственным системам (см.гл. 1.). В нашей стране для обозначения природных комплексов принят термин биогеоценоз (от греч. биос – жизнь, гео – Земля, ценоз – сообщество), предложенный академиком В.Н. Сукачевым (1942), т.е. биогеоценоз – это синоним экосистемы только применительно к природным образованиям.

Любую экосистему можно разделить на совокупность живых организмов, которую называют биотой, и неживые факторы окружающей среды. Другими словами, экосистема включает два компонента: биотический – сообщество, или биоценоз, и абиотический – биотоп, или экотоп [15–17, 28–30].

Термин «биоценоз» предложен немецким зоологом К. Мебиусом (1877).

Он обозначает взаимосвязанную совокупность популяций растений (фитоценоз), животных (зооценоз) и микроорганизмов (микробоценоз), совместно обитающих в пределах определенного объема пространства (биотопа). Все элементы экосистемы связаны друг с другом (рис. 2). В чистом виде ни фитоценоз, ни зооценоз, ни микробоценоз в природе не встречаются, как и биоценоз в отрыве от биотопа.

Рассмотрим более подробно структуру биотического компонента экосистемы. Выделяют трофическую, пространственную и видовую структуру биоценоза.

Трофическая структура формируется пищевыми связями, которые являются важнейшим видом взаимоотношений между организмами в биоценозе. Все организмы, живые и мертвые, являются пищей для других организмов. Несмотря на громадное разнообразие экосистем, им свойственна примерно одинаковая биотическая структура: все они включают одни и те же категории организмов, взаимодействующих стереотипным образом. Это продуценты, консументы, детритофаги и редуценты.

АТМОСФЕРА

ЛИТОСФЕРА

ГИДРОСФЕРА

ПЕДОСФЕРА

БИОТОП

БИОЦЕНОЗ

РАСТЕНИЯ

(

фитоценоз

)

ЖИВОТНЫЕ

(

)

зооценоз

МИКРО-

ОРГАНИЗМЫ

(

микробоценоз)

Рис. 2. Схема экосистемы

Продуценты, или автотрофы («самопитающиеся», от греч. автос – сам, трофос – питание) – это организмы, способные производить органические вещества (белки, жиры, углеводы и др.) из неорганических веществ (СО₂, Н₂О, минеральных солей и др.) окружающей среды, используя фотосинтез (зеленые растения) и хемосинтез (хемосинтезирующие бактерии). Главную роль в продуцировании органических веществ выполняют зеленые растения, в которых под действием солнечного света протекает процесс фотосинтеза и энергия света накапливается в органических соединениях в форме химической энергии:

6СО₂ + 6Н₂О + солнечная энергия → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂.

неорганические органическое вещества вещество – глюкоза

Все остальные организмы питаются готовым органическим веществом, которое служит им источником энергии и материалом для формирования своего тела. Таким образом, зеленые растения производят пищу для всех остальных организмов экосистемы, которые являются гетеротрофами, т.е. «питающимися другими».

Консументы – гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество продуцентов или других консументов. Различают консументы первого порядка (растительноядные, или фитофаги), второго порядка (плотоядные, или зоофаги) и более высоких порядков, причем некоторые животные соответствуют нескольким таким уровням.

Детритофаги и редуценты – это гетеротрофные организмы, потребляющие мертвые растительные и животные остатки (мертвое органическое вещество – детрит), например, опавшие листья, фекалии, трупы животных. К детритофагам относятся земляные черви, раки, термиты, муравьи и т. д. Различают первичных детритофагов, питающихся непосредственно детритом, вторичных и т. д. Значительная часть детрита гниет и разлагается в процессе питания грибов и бактерий. Они выполняют в биоценозе специфическую роль: полностью разлагают органические вещества до неорганических веществ (минерализуют органические вещества), поэтому их выделяют в особую подгруппу детритофагов и называют редуцентами или деструкторами.

Следует учитывать, что и продуценты, и консументы частично выполняют функции редуцентов, выделяя в окружающую среду минеральные вещества – продукты метаболизма.

Пространственная структура – распределение организмов разных видов в пространстве (по вертикали и горизонтали). Пространственная структура образуется прежде всего растительной частью биоценоза. Различают ярусность (структура биоценоза по вертикали) и мозаичность (структура по горизонтали). Например, в широколиственном лесу выделяют 5 – 6 ярусов: деревья первой, второй величины, подлесок, кустарник, высокие травы, низкие травы. В каждом ярусе растительности преимущественно обитают свои животные из состава биоценоза. В водных экосистемах вертикальная структура задается в первую очередь абиотическими условиями: освещенностью, температурой и др. Мозаичность реализуется в виде неравномерного распределения популяций по площади из-за неоднородности почвенногрунтовых условий, микроклимата, рельефа и т.п.

Видовая структура – это количество видов, образующих биоценоз, и соотношение их численностей. Видовой состав и насыщенность биоценоза зависят от условий среды. На Земле существуют как резко обедненные сообщества полярных пустынь, так и богатейшие сообщества тропических лесов и коралловых рифов.

Виды, преобладающие по численности, массе и развитию, называют доминантными. Среди них выделяют эдификаторы («строители»), которые своей жизнедеятельностью в наибольшей степени формируют среду обитания, предопределяя существование других организмов, и без которых другие виды существовать не могут. Именно они порождают разнообразие видов в биоценозе. Как правило, эдификаторами выступают растения – ель, сосна, кедр (в хвойных лесах); ковыль (в степях) и лишь изредка животные. Например, ель в еловом лесу наряду с доминантностью обладает сильными эдификаторными свойствами, выражающимися в способности затенять почву, создавать кислую среду своими корнями, образовывать специфические подзолистые почвы. Вследствие этого под пологом ели могут жить только тенелюбивые растения.

Каждый вид в природе состоит из одной или нескольких популяций, и популяция, таким образом, является формой существования вида в сообществе, его наименьшей эволюционирующей единицей. Популяция – это определенным образом организованная совокупность особей одного вида, свободно скрещивающихся и дающих плодовитое потомство. Она имеет возрастную структуру, т. е. определенное соотношение численности особей разного возраста (предрепродуктивного, репродуктивного и пострепродуктивного); половую структуру – определенное соотношение полов, причем, как правило, количество самцов и самок различно; пространственную структуру – характер распределения особей в пределах ареала и др.

Основные характеристики популяции: плотность – число особей, приходящихся на единицу площади или объема; численность – общее число особей на выделяемой территории; рождаемость – число новых особей, появившихся в результате размножения в единицу времени; смертность – число особей, погибших за определенный отрезок времени; прирост популяции – разница между рождаемостью и смертностью.

Человек в своей конкретной практике имеет дело не с отдельными особями и видами, а именно с популяциями растений и животных, меняя их численность, структуру и другие количественные характеристики, что ведет к снижению интенсивности воспроизводства, а в ряде случаев – к исчезновению популяции.

С возникновением человеческого общества и образованием стабильных поселений человека возникли синантропныевиды, популяции которых обитают вблизи человека: в его жилищах, в местах размещения отходов жизнедеятельности. Это тараканы, клопы, мухи, мыши и др. Они могут быть вредителями, паразитами, переносчиками опасных инфекционных заболеваний, т. е. выступать в качестве опасных экологических факторов.