Экологические системы

Экосистемой называется совокупность живых и неживых компонентов природы, находящихся во взаимодействии. Это понятие применяется к единицам различной протяжённости – от муравейника (микроэкосистема) до океана (макроэкосистема). Сама биосфера является гигантской экосистемой земного шара.

Связи между компонентами экосистемы возникают, прежде всего, на основе пищевых связей и способов получения энергии. По способу получения и использования питательных материалов и энергии все организмы биосферы разделяются на две резко различающиеся группы: автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы способны синтезировать органические вещества из неорганических соединений (СО₂, Н₂О и др.) Из этих бедных энергией соединений клетки синтезируют глюкозу, аминокислоты, а затем и более сложные органические соединения – углеводы, белки и т.д. Главными автотрофами на Земле являются клетки зелёных растений, а также некоторые микроорганизмы. Гетеротрофы не способны синтезировать органические вещества из неорганических соединений. Они нуждаются в доставке уже готовых органических соединений. Гетеротрофами являются клетки животных, человека, большинства микроорганизмов и некоторых растений (например, грибов и зелёных растений, не содержащих хлорофилла). В процессе питания гетеротрофы в конечном счете разлагают органическое вещество до углекислоты, воды и минеральных солей, т.е. веществ, пригодных для повторного использования автотрофами.

Таким образом, в природе возникает непрерывный круговорот веществ: необходимые для жизни химические вещества извлекаются автотрофами из окружающей среды и через ряд гетеротрофов вновь в неё возвращаются. Для осуществления этого процесса необходим постоянный приток энергии извне. Его источником служит лучистая энергия Солнца. Движение вещества, вызванное деятельностью организмов, происходит циклически, и оно может быть использовано вновь и вновь, тогда как энергия в этих процессах представлена однонаправленным потоком. Энергия Солнца лишь трансформируется организмами в другие формы – химическую, механическую, тепловую. В соответствии с законами термодинамики такие превращения всегда сопровождаются рассеиванием части энергии в форме тепла. Хотя общая схема круговорота веществ сравнительно проста, в реальных условиях природы этот процесс принимает очень сложные формы. Ни один вид гетеротрофных организмов не способен сразу расщеплять органическое вещество растений до конечных минеральных продуктов (СО₂, Н₂О и др.). Каждый вид использует лишь часть содержащейся в органическом веществе энергии, доводя его распад до определённой стадии. Непригодные для данного вида, но ещё богатые энергией остатки используются другими организмами. Таким образом, в процессе эволюции в экосистеме сложились цепи взаимосвязанных видов, последовательно извлекающих материалы и энергию из исходного пищевого вещества. Все виды, образующие пищевую цепь, существуют за счёт органического вещества, генерируемого зелёными растениями.

Суммарно лишь 1% лучистой энергии Солнца, падающей на растения, превращается в энергию синтезированных органических веществ, которые могут быть использованы гетеротрофными организмами. Большая же часть энергии, содержащейся в растительной пище, расходуется в организме животных на различные процессы жизнедеятельности и, превращаясь в тепло, рассеивается. При этом только 10-20% этой энергии пищи идёт непосредственно на построение нового вещества.

Любая экосистема состоит из двух компонентов. Один из них – органический, представляющий комплекс видов, образующих самоподдерживающуюся систему, в которой осуществляется круговорот веществ, который называется биоценозом, другой – это неорганический компонент, дающий пристанище биоценозу и называемый биотоном:

Экосистема = биотон + биоценоз.

Другие экосистемы, а также геологические, климатические, космические воздействия по отношению к данной экологической системе выступают как внешние силы. Устойчивость экосистемы всегда связана с её развитием. Согласно современным воззрениям экосистема обладает тенденцией развиваться в направлении к её устойчивому состоянию – зрелой экосистеме. Это изменение называется сукцессией. Ранние стадии сукцессии характеризуются незначительным видовым разнообразием и небольшой биомассой. Экосистема в начальной стадии развития очень чувствительна к нарушениям, и сильное воздействие на основной поток энергии может её разрушить. В зрелых экосистемах флора и фауна увеличиваются. В этом случае повреждение одного компонента не может оказать сильного влияния на всю экосистему. Отсюда зрелая экосистема имеет высокую степень устойчивости.

Как отмечалось выше, геологические, климатические, гидрогеологические и космические воздействия по отношению к данной экологической системе выступают как внешние силы. Среди внешних сил, оказывающих влияние на экосистемы, особое место занимает воздействие человека. Биологические законы строения, функционирования и развития природных экосистем связаны только с теми организмами, которые являются их необходимыми компонентами. В связи с этим человек как в социальном (личность), так и в биологическом (организм) плане не входит в состав природных экосистем. Это вытекает хотя бы из того, что любая природная экосистема в своём возникновении и развитии может обходиться без человека. Выступая в качестве внешней силы, человек оказывает большое влияние на экосистемы. В этой связи следует указать на возможность существования двух типов экосистем: естественных (природных) и искусственных. Развитие (сукцессия) естественных экосистем подчиняется законам эволюции или законам космических воздействий (постоянства или катастроф). Искусственные экосистемы – это совокупности живых организмов и растений, живущих в условиях, которые создал человек своим трудом, своей мыслью. Сила воздействия человека на природу проявляется именно в искусственных экосистемах, которые охватывают сегодня большую часть биосферы Земли.

Экосистемы в общем виде подразделяются на естественные и искусственные. К естественным экосистемам относят луг, тундру, пустыню, лес, озеро, море, океан, к искусственным - город, агроэкосистемы, различные микрокосмы (микроэкосистемы) от аквариума до космического корабля. Более строго экосистемы можно классифицировать по их функциональным или структурным признакам. По структурным признакам природные экосистемы подразделяются на наземные, пресноводные, морские.

К наземным относятся тундра, хвойные леса, степь, саванна, пустыня, тропический лес. Пресноводные экосистемы – это стоячие воды (озёра, пруды), текучие воды (реки, ручьи), заболоченные угодья (болота и болотистые леса). К морским экосистемам относят открытый океан, воды континентального шельфа (прибрежные воды), прибрежные бухты, проливы, устья рек. Хорошей основой для функциональной классификации экосистем является тип энергии, которую она получает, поскольку энергия – главный общий знаменатель всех экосистем, как природных, так и управляемых человеком. По источнику энергии удобно выделить четыре функциональных типа экосистем: 1) природные, движимые солнцем, несубсидируемые; 2) природные, движимые солнцем, субсидируемые другими естественными источниками; 3) движимые солнцем и субсидируемые человеком; 4) индустриально-городские, движимые топливом (ископаемым, другим органическим или ядерным).

Каждый из указанных типов экосистем характеризуется определённым ежегодным уровнем притока энергии (Е, ккал×м^-2). К первому типу относятся открытые океаны и высокогорные леса (Е@1000-10000); ко второму – воды континентального шельфа, некоторые дождевые леса (Е@10000 – 40000); третий тип включает агроэкосистемы, аквакультуры (Е@10000 – 40000); четвёртый – города, пригороды, индустриальные зоны (Е@100000 – 3000000). Глобальным источником энергии здесь служит не солнце, а топливо: эти системы зависят от экосистем первых трёх типов.

Таким образом, экосистема есть основная функциональная единица в экологии, включающая в качестве основных компонентов организмы и неживую среду, взаимодействие между которыми поддерживает жизнь в той её форме, которая существует на Земле.

1.3. Круговорот веществ в природе – первый основной принцип
функционирования природных экосистем

Природные экосистемы функционируют в соответствии с тремя основными принципами:

Первый основной принцип функционирования природных экосистем – получение ресурсов и избавление от отходов - происходит в рамках круговорота всех элементов (гармонирует с законом сохранения массы). Круговорот биогенных элементов, обусловленный синтезом и распадом органических веществ в экосистеме, в основе которого лежит реакция фотосинтеза, называют биотическим круговоротом веществ. Кроме биогенных элементов, в биотический круговорот вовлечены важнейшие для биоты минеральные элементы и множество различных соединений. Поэтому весь циклический процесс химических превращений, обусловленных биотой, называют ещё биогеохимическим круговоротом.