Понятие экосистемы. Состав и структура экосистем

Экосистема – любое единство, включающее все организмы на данном участке и взаимодействующее с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенную трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ внутри системы.

С точки зрения трофических отношений экосистема имеет два компонента, разделенные во времени и пространстве:

1. Автотрофный (самостоятельно питающийся) с фиксацией световой энергии, использующий простые вещества для построения сложных.

2. Гетеротрофный (питающийся другими) с утилизацией, перестройкой и разложением сложных веществ.

2.1 Биофаги – поедающие другие живые организмы;

2.2 Сапрофаги – питающиеся мертвым органическим веществом.

Экосистема включает в себя биотоп – относительно однородное по абиотическим факторам среды пространство в пределах водной, наземной и подземной частей биосферы, включающее элементы неорганической основы: рельеф, воды, грунт, почву, микроклимат, освещенность и т.д. Абиотические факторы среды – компоненты и явления неживой, неорганической природы, прямо или косвенно воздействующие на живые организмы (температура, свет, вода, соленость, кислород, магнитное поле земли, почва). Биотоп совместно с биоценозом (совокупностью всех организмов данного биотопа) составляет единый биогеоценоз. Элементарной единицей в экологии считается особь популяции. Совокупность особей одного вида, занимающая определенную территорию, способная обмениваться между особями генетической информацией и устойчиво поддерживать свое существование, носит название популяции. Основными характеристиками популяции является ее плотность – среднее число особей на единицу площади или объема, численность, рождаемость, смертность, выживаемость, возрастное распределение.

8. Основные принципы экологии: взаимосвязь и целостность; продуцирование и разложение; биологический контроль среды; гомеостаз

Один из главных принципов изучения экологии – системный подход, ибо организмы (или сообщества организмов) образуют со средой обитания единство, в пределах которого осуществляется преобразование (трансформация) вещества и энергии. Одно из ключевых понятий системного подхода – уровень организации, под которым понимают функциональное место биологической структуры определенной сложности в общей системе живой природы. Под системой понимается совокупность элементов, находящихся в тесных отношениях друг с другом и формирующих целостное образование.

Отдельные элементы, из которых состоит система, вместе с тем, не определяют самой ее структуры, хотя и образуют её. Структура же определяется способом взаимодействия элементов. Сообщество, популяция, организм, орган, клетка и ген – главные уровни организации жизни, они расположены в иерархическом порядке от крупных систем к малым. Взаимодействие с физической средой (энергией и веществом) на каждом уровне обусловливает существование определенных функциональных систем. Экология изучает преимущественно системы выше уровня организмов. В системе нет четких границ или разрывов даже между уровнями организма и популяции.

Фотосинтезирующие организмы, и лишь отчасти хемосин тезирующие, создают органические вещества на Земле - продукцию - в количестве 100 млрд т/год и примерно такое же количество веществ должно превращаться в результате дыхания растений в углекислый газ и воду. Однако этот баланс неточен, так как известно, что в прошлые геологические эпохи создавался избыток органического вещества, в особенности 300 млн лет тому назад, что выразилось в накоплении в осадочных породах угля. Человечество использует это энергетическое сырье. Избыток образовался вследствие того, что в соотношении O₂/СO₂ баланс сдвинулся в сторону СO₂ и заметная часть продуцированного вещества, хотя и очень небольшая, не расходовалась на дыхание и не разлагалась, а фоссилизировалась (окаменевала) и сохранялась в осадках. Сдвижение баланса в сторону повышения содержания кислорода около 100* млн лет назад сделало возможным эволюцию и существование высших форм жизни.

Итак, дыхание — процесс гетеротрофный, приблизительно уравновешивающий автотрофное накопление органического вещества. Различают аэробное, анаэробное дыхание и брожение.

Аэробное дыхание — процесс, обратный фотосинтезу, где окислитель — газообразный кислород присоединяет водород. Анаэробное дыхание происходит обычно в бескислородной среде и в качестве окислителя служат другие неорганические вещества, например сера. И наконец, брожение — такой анаэробный процесс, где окислителем становится само органическое вещество.

Посредством процесса аэробного дыхания организмы получают энергию для поддержания жизнедеятельности и построения клеток. Бескислородное дыхание — это основа жизнедеятельности сапрофагов (бактерии, дрожжи, плесневые грибы, простейшие). Аэробное дыхание превосходит, и значительно, анаэробное в скорости.

Если поступление детрита (частичек отмершей органики) в почву или в донный осадок происходит в больших количествах, то бактерии, грибы, простейшие быстро расходуют кислород на его разложение, которое резко замедляется, но не останавливается вследствие «работы» организмов с анаэробным метаболизмом.

Итак, в целом можно утверждать, что происходит некоторое отставание гетеротрофного разложения от продуцирования во времени. И, как было подчеркнуто выше, такое соотношение наблюдается на уровне биосферы. Отставание гетеротрофной утилизации продуктов автотрофного метаболизма есть, следовательно, одно из важнейших свойств экосистемы. Однако в результате деятельности человека это свойство находится под угрозой и прежде всего из-за непомерного потребления кислорода огромными двигателями и другими аппаратами, которое может привести к снижению продукции.

Кроме биотических факторов в разложении принимают участие и абиотические (пожары, которые можно считать «агентами разложения»). Но если бы мертвые организмы не разлагались гетеротрофными микроорганизмами и сапрофагами, для которых они служат пищей, все питательные вещества оказались бы в мертвых телах и никакая новая жизнь не могла бы возникать.

Гомеостаз – способность биологических систем – организма, популяции и экосистем – противостоять изменениям и сохранять равновесие. Исходя из кибернетической природы экосистем - гомеостатическии механизм - это обратная связь.

Для управления экосистемами не требуется регуляция извне - это саморегулирующаяся система. Саморегулирующий гомеостаз на экосистемном уровне обеспечен множеством управляющих механизмов. Один из них — субсистема «хищник—жертва». Между условно выделенными кибернетическими блоками управление осуществляется посредством положительных и отрицательных связей. Положительная обратная связь «усиливает отклонение», например увеличивает чрезмерно популяцию жертвы. Отрицательная обратная связь «уменьшает отклонение», например, ограничивает рост популяции жертвы за счет увеличения численности популяции хищников. Эта кибернетическая схема отлично иллюстрирует процесс коэволюции в системе «хищник—жертва», так как в этой «связке» развиваются и взаимные адаптационные процессы. Если в эту систему не вмешиваются другие факторы (например, человек уничтожил хищника), то результат саморегуляции будет описываться гомеостатическим плато — областью отрицательных связей, а при нарушении системы начинают преобладать обратные положительные связи, что может привести к гибели системы. Наиболее устойчивы крупные экосистемы и самая стабильная из них — биосфера, а наиболее неустойчивы молодые экосистемы. Это объясняется тем, что в больших экосистемах создается саморегулирующий гомеостаз за счет взаимодействия круговоротов веществ и потоков энергии