М.Э. Гусельников, В.Н. Стройнова
Биоэкология
Учебное пособие. – Томск: Изд. ТПУ, 2002. – 104 с.

4. Экосистемы и их составные части

Экосистема, ее состав и тип

Термин „экосистема" ввел английский ботаник Артур Джордж Тенсли, который утверждал, что экосистема является основной природной единицей на земной поверхности, для нее характерен биотический круговорот веществ  с участием консументов, продуцентов и редуцентов. Различные типы местообитаний внутри экосистемы называются БИОТОПАМИ. Биотоп - это неорганическая, неживая среда с определенными физико-химическими условиями, например, температурой, влажностью, круговоротом веществ. Биотоп может быть преобразован с помощью жизнедеятельности видов, населяющих его. Живые существа, населяющие биотоп, образуют природное сообщество - БИОЦЕНОЗ. Биотоп и биоценоз составляют экосистему (рис.4.1).

Любая экосистема, как и биосфера Земли, имеет системное строение, определенную степень упорядоченности и иерархию. Экосистема является незамкнутой системой (в общем случае), поскольку осуществляет обмен веществом, энергией и информацией с биосферой.

ЗАКОН МАКСИМИЗАЦИИ энергии и информации гласит, что наибольшими шансами на самосохранение обладает экосистема, максимально способствующая эффективному использованию энергии и информации. Следует заметить, что обмен веществом не играет заметной роли для устойчивости экосистемы. Открытые системы, каковыми являются реальные экосистемы и биосфера, подчиняются законам термодинамики открытых систем.

Все экологические системы упорядочены, то есть стремятся сохранить свойства системности (подчиняются теореме сохранения упорядоченности). Таково индивидуальное развитие организма, популяции и экосистемы, биогенный круговорот веществ, эволюция биосферы. Упорядоченность систем может теряться или нарушаться в связи с техногенными воздействиями на биосферу. В то же время действует ЗАКОН ХИЛЬМИ - РАСТВОРЕНИЯ СИСТЕМЫ В ЧУЖОЙ СРЕДЕ: индивидуальная система, работающая в чужой среде с уровнем организации более низким, чем у системы, постепенно теряет структуру и растворяется в чужой среде.

Различают три типа природных экосистем (рис. 4.2). Первый тип – наземные или биомы. Их классифицируют по типу растительности: тундра, тайга, широколиственные леса, степи, пустыни, саванны. Второй тип - пресноводные экосистемы. Их классифицируют по физическим свойствам воды: стоячие воды (озера, пруды, водохранилища); текущие воды (реки, ручьи); заболоченные угодья (болота, болотистые леса). Третий тип - морские экосистемы: открытый океан, эстуарии - прибрежные воды (бухты, лиманы, устья рек), глубоководные зоны мирового океана с высокой биомассой живых организмов.

Структура экосистем

Для примера рассмотрим биом широколиственного леса. Биоценоз такого биома имеет видовую, пространственную и трофическую (пищевую) структуру. Распределение видов в биоценозе не случайно, определяется потребностью в солнечной энергии (у растений). Ярусность сообщества леса определяется потребностью в солнечной энергии. На верхнем ярусе расположены высокие деревья (березы), которым требуется много энергии. Ярусом ниже расположены молодые особи деревьев верхнего яруса и деревья других видов (осины, рябины). Третий ярус - кустарники, четвертый - травы, пятый - мох. Корневая система растений образует ярусы вглубь. Наиболее влаголюбивые растения (травы) имеют более глубокие корни. Подобная ярусность наблюдается в пресноводной экосистеме, а также в морской. Основная жизнь сосредоточена всегда в верхних слоях, где наибольшее количество солнечного света. В верхних слоях озера обитают утки, ондатры, лягушки, рыбы. В средних слоях - рыбы, планктон. В нижних слоях - микроорганизмы - редуценты.

Трофические цепи

Трофическая структура биоценоза определяется трофическими (пищевыми) цепями. Это устойчивые связи из продуцентов, консументов и редуцентов (рис. 3.1). В трофических цепях происходит перенос энергии пищи  от автотрофов  (растений) к редуцентам через ряд организмов путем поедания ими друг друга. Организмы, получающие энергию от Солнца через одинаковое число ступенек, образуют один трофический уровень. Солнечная энергия, преобразованная в химическую, используется и запасается организмами. Таким образом, на одном трофическом уровне находятся организмы, питающиеся одним и тем же типом пищи.

 Рассмотрим пищевую цепь водоема. Водоросли образуют фитопланктон, рачки - зоопланктон. Экскременты и трупы животных поедаются редуцентами, которые превращают их в минеральные вещества, которые снова используются автотрофами. Таким образом, круговорот замыкается. Животные одного типа (например консументы первого порядка - зоопланктон) находятся на одном трофическом уровне. В зоопланктон озера входят дафнии, циклопы и другие рачки.

Экологические пирамиды, ниши

В соответствии с трофическими уровнями можно строить экологические пирамиды. Различают пирамиды численности, биомассы и энергии.  Любая из трех пирамид расположена основанием книзу, площадь уровня пропорциональна величине численности, биомассе или энергии. Внизу находятся продуценты, выше - консументы и редуценты.

Согласно ЗАКОНУ ПИРАМИДЫ ЭНЕРГИЙ (закон 10 %), с одного уровня на другой передается только 10% энергии, точнее, 5 - 19 % , от поступившей на этот уровень. Остальная энергия рассевается, превращаясь в тепловую форму. В то же время примерно в таких же количествах происходит накопление токсинов и радиоактивных веществ (это важно для понимания экологической проблемы).

ПРАВИЛО НАКОПЛЕНИЯ: чем выше трофический уровень, тем больше накапливается вредное вещество - по 10 % при переходе снизу вверх. Правило накопления формирует экологическую проблему. Экологические пирамиды всех трех видов отражают количественные соотношения разных по способу питания организмов, поскольку информативным критерием является площадь трофического уровня, масштабированная на величину численности, биомассы или энергии. Заметим, что с ростом трофического уровня убывает параметр пирамиды - численность, биомасса или энергия.

Различные виды занимают разные экологические ниши. Экологическая ниша - это совокупность всех факторов среды, в пределах которых возможно существование вида в природе. Например, дятел занимает экологическую нишу с пищей насекомые-древоточцы, умеренная освещенность, умеренная влажность. Черный дрозд занимает другую экологическую нишу в том же лесу на том же дереве: пища - черви и улитки на земле, отсюда - слабая освещенность и большая влажность. У дятлов и дроздов разные экологические ниши и одинаковое местообитание - биотоп. Два этих вида птиц находятся на одном трофическом уровне и должны испытывать конкуренцию.

Конкуренция

Как можно заметить, близкие виды испытывают конкуренцию из-за пищи, света и влаги (у растений). Конкуренция тем больше, чем ближе виды между собой. Очень близкие виды растений вытесняются. Например, в смешанном лесу выживают березы и сосны, а осины и черемуха вытесняются на одном трофическом уровне.

ПРИНЦИП КОНКУРЕНТНОГО ИСКЛЮЧЕНИЯ ГАУЗЕ: два вида с близкими экологическими требованиями не могут длительное время занимать одну экологическую нишу и входить в одну экосистему.

ПРИНЦИП СОСУЩЕСТВОВАНИЯ (ПАРАДОКС ХАТЧИНСОНА): два вида в порядке исключения могут сосуществовать в одной экологической нише, и они способны эволюционировать в близком направлении. Это относится в основном к пресноводным и морским организмам. Вспомните разнообразие озерных или морских рыб. Могут встречаться близкие виды рыб в одной и той же экологической нише. Пустующая экологическая ниша всегда заполняется естественным путем.

Тест

1. Какие компоненты составляют экосистему?

1. Атмосфера, популяция.

2. Литосфера, биом, биотоп.

3. Биотоп, биоценоз. 

4. Биом, биоценоз, гидросфера.

2. Какие законы выполняются в реальной экосистеме одновременно?

1. 1 закон термодинамики, 2 закон термодинамики.

2. 1 закон термодинамики, теорема сохранения упорядоченности.

3. Теорема сохранения упорядоченности, закон максимизации энергии и информации.

3. К какому типу экосистем относится Севастопольская бухта Черного моря?

1. Биом.

2. Морские экосистемы.  

3. Пресноводные экосистемы.

4. К какому типу экосистем относится Обское море?

1. Биом.

2. Морские экосистемы.  

3. Пресноводные экосистемы. 

5. Какая характеристика пирамиды энергий или биомасс является наиболее информативной?

1. Площадь прямоугольника какого-либо уровня. 

2. Высота пирамиды.

3. Площадь пирамиды.

6. Какой компонент можно считать экологической нишей?

1. Река.

2. Свет, температура, влажность, солености, кислотность одновремен-но.

3. Городская квартира.

7. Сколько экологических ниш может быть в одном озере?

1. Три или больше.

2. Ни одной.

3. Две.

8. Сколько экологических ниш может быть в одном сосновом лесу?

1. Одна.

2. Несколько. 

9. Какая группа организмов находится на одном трофическом уровне в сосновом лесу?

1. Сосна, трава, мох. 

2. Белки, птицы.

3.Сосна,  мох, белки.

10. Какая группа животных находится на одном трофическом уровне в озере?

1. Щука, лягушка.

2. Карась, пескарь, елец. 

3. Лягушка, водоросли.