Учебник Биология - ВУНМЦ 2000

Глава 6. БИОЦЕНОТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОГО

6.1. ЭКОЛОГИЯ

6.1.7. ЭКОСИСТЕМА

Биогеоценоз часто используется как синоним термина "экосистема". Эти понятия не совсем совпадают. "Экосистема" - более общее понятие, чем биогеоценоз.

Биогеоценоз в отличие от экосистемы - понятие территориальное, относимое к таким участкам суши, которые заняты определенными единицами растительного покрова - фитоценозами. Экосистемы могут иметь произвольные границы, а биогеоценозы занимают определенную территорию.

Экосистемы характеризуются видовым составом, численностью входящих в нее организмов, биомассой, соотношением отдельных трофических групп, интенсивностью процессов продуцирования и разрушения органического вещества. Существование экосистемы возможно лишь при использовании энергии и веществ, поступающих из окружающей среды. Все экосистемы относят к открытым системам.

В каждой экосистеме два основных компонента:

1) совокупность живых организмов;

2) факторы окружающей их неживой среды.

Все факторы действуют на организмы одновременно. Всю совокупность организмов (растений, животных, микроорганизмов) называют биотой экосистемы (био - жизнь).

Биотические компоненты экосистемы можно подразделить на автотрофные и гетеротрофные организмы. Автотрофные организмы (растения и некоторые простейшие, бактерии) способны синтезировать необходимые им органические вещества из простых неорганических, используя в качестве источника энергии энергию солнечного света или энергию химических реакций (бактерии).

Гетеротрофы (животные, грибы) поглощают готовые органические вещества и для синтеза собственных веществ используют химическую энергию, содержащуюся в потребляемой пище.

Неживые факторы окружающей среды называют абиотическими. Они включают:

1) почву и воду;

2) климат.

Почва и вода содержат органические и неорганические вещества.

В понятие климата входят освещаемость, влажность, температура, соленость, определяющие видовой состав организмов в экосистеме (рис. 290).

Рис. 290. Абиотические факторы и основные биомы. Влажность обычно главный фактор, определяющий тип биома. Например, при достаточно большом количестве осадков, как правило, развивается лесная растительность; температура при этом будет определять тип леса. Точно так же обстоит дело со злаковниками и пустынями. Смена типов растительности в холодных регионах происходит при меньших годовых суммах осадков, так как при низких температурах меньше воды теряется на испарение. Температурный фактор становится главным только в очень холодных условиях с вечной мерзлотой.

Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ (рис. 291).

Рис. 291. Поток энергии и круговорот веществ в типичной пищевой цепи. Обратите внимание на существование двух путей обмена между хищниками, с одной стороны, и детритоядными и редуцентами, с другой. Последние питаются мертвыми хищниками, хищники могут питаться живыми детритоядными.

Рис. 292. Круговорот биогенов в экосистемах и поток энергии через них. Если расположить организмы в соответствии с их пищевыми взаимоотношениями, указав для каждого из них "вход" и "выход" энергии и биогенов, станет очевидно, что биогены непрерывно рециклизируются внутри экосистемы, а поток энергии проходит через нее.

В естественных экосистемах постоянно осуществляется круговорот неорганических биогенов, или биогенных элементов: N, Р, К, Na, С, Са, Fe и др. (рис. 292). Биогенными называют химические элементы, входящие в состав клеток живых организмов и имеющие определенное биологическое значение. Одни из них обязательны для всех, другие свойственны определенным группам живых существ. В наибольшем количестве в живом веществе содержится О, С, Н, N. Они вместе с S, Р играют важнейшую роль в построении биосистемы, так как входят в состав таких важных соединений, как белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды. Остальные элементы также важны для нормального функционирования организма. Микроэлементы входят в состав ферментов, витаминов, гормонов. Например, кобальт стимулирует кроветворение, участвует в синтезе белков и в регуляции углеводного обмена.

Содержание некоторых элементов в организме определяется их видовой принадлежностью, условиями обитания, качеством пищи. При недостаточном или избыточном поступлении необходимых элементов в организм могут наблюдаться нарушения функционирования органов и возникать заболевания - биохимические эндемии - у растений, животных и человека. Например, увеличение щитовидной железы (эндемический зоб) у человека и животного может быть вызвано недостаточностью йода в воде, почве, продуктах питания; недостаток фтора понижает устойчивость зубов к кариесу, а его избыток при длительном поступлении в организм способствует развитию хронического заболевания (флюороза), связанного с накоплением элемента в костях с последующей их деформацией, а также в тканях зубов с образованием пятен на зубной эмали. Марганец (Мn) в малых количествах стимулирует процесс кроветворения, а в больших - угнетает его.

Организмы получают биогенные элементы из внешней среды в усвояемой форме, включают в состав тела и в последующем возвращают во внешнюю среду. Запасы биогенных элементов в природе небезграничны. Возвращение их во внешнюю среду обязательно. Круговорот веществ в экосистеме обеспечивается наличием функционально различных групп организмов: продуцентов, консументов, редуцентов. Их совокупная деятельность создает на Земле неорганическую среду, необходимую для существования живого. В природе в рамках круговорота биогенных элементов происходит использование естественных ресурсов и избавление от отходов, превращение их в форму, вновь доступную для автотрофных организмов, что предполагает первый принцип функционирования экосистем.

Большое значение всех живых организмов определено их, способностью:

✵ аккумулировать и трансформировать солнечную энергию;

✵ размножаться и этим обеспечивать непрерывность своей деятельности, результаты которой накапливаются;

✵ совершать химические реакции с такой скоростью, которая во много раз превышает скорость реакции в неживой природе.

Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот веществ в экосистемах возможен только за счет постоянного притока энергии, что является вторым принципом функционирования экосистемы. Вся жизнь существует за счет энергии солнечного излучения, которое переводится фотосинтезирующими организмами в химические связи органических соединений. Гетеротрофы получают энергию с пищей. Все живые существа являются объектами питания других и связаны между собой энергетическими отношениями.

Пищевые связи в сообществах - это механизмы передачи энергии от одного организма к другому. Питательные вещества первоначально происходят из абиотического компонента системы, в которой возвращаются либо в качестве отходов жизнедеятельности, либо после гибели и разрушения организмов. В экосистеме происходит постоянный круговорот питательных веществ, в нем участвуют живые и неживые компоненты.

Внутри экосистемы органические вещества, содержащие энергию, создаются автотрофными организмами и служат пищей для гетеротрофных. Например, животные поедают растения. Эти животные могут быть съедены другими животными, и таким путем происходит перенос энергии через ряд организмов. Такая последовательность называется пищевой цепью, каждое звено - трофическим уровнем (рис. 293).

Рис. 293. Три термина, описывающие перенос питательных веществ и энергии в экосистеме. Каждый из обозначенных стрелками путей от основания к вершине представляет собой пищевую цепь. Взаимосвязанные пищевые цепи образуют пищевую сеть. Разные этапы переноса - трофические уровни.