ЕКОЛОГІЧНА СИСТЕМА

Основною функціональною одиницею біосфери є екологічна система (екосистема), до складу якої входять живі організми та абіотичне середовище. Причому кожна з цих частин впливають одна на одну та обмінюються речовиною і енергією. Екосистема – єдиний природний або природно-антропогенний комплекс, утворений живими організмами та середовищем їх існування, в якому живі й неживі компоненти поєднані між собою причинно-наслідковими зв’язками, обміном речовин та розподілом потоку енергії.

Р. Дажо (1975) дав математичне визначення екосистеми: екосистема (Е) дорівнює сумі біотопу (Бт)і біоценозу (Бз), тобто Е = Бт + Бз. Однак і таким математичним описом не можна погодитися, тому що Бт ≠ Е – Бз і Бз ≠ Е – Бт, оскільки в математичному виразі екосистеми (Е) не відображено обміну речовин та енергії, які випливають з визначення. А тому визначення екосистеми вірніше представити як функцію біоценозу, біотопу та обміну речовин (Р), енергії (Ея) та інших екологічних факторів

( ):

Е=ƒ(Бз, Бт, Р, Ея, )

Структуру біоценозу складають продуценти – виробники живої органічної речовини, консументи (рослиноїдні та м’ясоїдні тварини) – споживачі органічних речовин і редуценти – перетворювачі органічних речовин на прості мінеральні сполуки. Продуценти – автотрофні (хемо- та фототрофні) організми, що продукують органічну речовину з неорганічної. Продуценти є первинною ланкою ланцюгів живлення. Консументи – організми (їх сукупність), які споживають органічну речовину, створену продуцентами або перетворену консументами нижчих рівнів екологічної піраміди. Розрізняють консументи першого порядку (травоїдні), другого й вищих порядків (хижаки, паразити тощо). Редуценти – організми (переважно бактерії, гриби), які в процесі життєдіяльності перетворюють, розкладають органічні рештки на неорганічні речовини. Редуценти – заключна ланка ланцюгів живлення.

Залежно від способу добування і використання поживних речовин усі організми поділяють на автотрофи і гетеротрофи. Автотрофи – організми, що самостійно забезпечують себе їжею. Вони здатні утворювати органічі речовини з неорганічних за допомогою сонячного світла (фотосинтез) або енергії хімічних реакцій (хемосинтез). До автотрофів належать рослини та деякі бактерії. Гетеротрофи – організми, що живляться готовими органічними речовинами. Вони, на відміну від автотрофів, синтезують необхідні для їхнього життя речовини з готових органічних сполук. До гетеротрофів належать тварини, людина, деякі вищі паразитичні рослини, гриби та багато мікроорганізмів.

Основною структурною одиницею в системі живих організмів є вид. Вид (біологічний) – сукупність організмів із спорідненими морфологічними ознаками, які можуть схрещуватися один з одним і мають спільний генофонд. Види мають морфологічні, фізіолого-біохімічні, еколого-географічні (біогеографічні) та генетичні характеристики. Вид підпорядкований роду і поділяється на підвиди і популяції. Популяція – сукупність особин одного виду з однаковим генофондом, яка живе на спільній території впродовж багатьох поколінь.

У природі види рослин і тварин розподіляються не випадково, а завжди утворюють певні, порівняно сталі комплекси (угруповання) – біоценози. Біоценоз (грец. «біос» – життя та «койнос» – загальний) – стала система живих організмів, які населяють більш-менш однорідну ділянку суші чи води і пов’язані між собою. Стійкою екологічною системою є біогеоценоз (грец. «біос» – життя, «гео» – земля та «койнос» – загальний). Біогеоценоз – однорідна ділянка суходолу чи водної поверхні з певним складом живих (біоценоз) та неживих (приземний шар атмосфери, ґрунт, вода, сонячна енергія) компонентів, що динамічно взаємодіють між собою в процесі обміну речовин та енергії. Біогеоценоз є більш загальним поняттям і його складовими компонентами є біотоп і біоценоз. Біотоп – ділянка суходолу чи водойми з однотипними умовами рельєфу, клімату та інших абіотичних факторів, яку займає певний біоценоз. Біотоп – неорганічний компонент біогеоценозу. Отже, біоценоз – спільнота живих організмів, що мешкають у межах одного біотопу. Поняття «біоценоз» – умовне, оскільки поза середовищем існування організми жити не можуть. Цим поняттям зручно користуватися в процесі вивчення екологічних зв’язків між організмами. Залежно від місцевості, відношення до людської діяльності, ступеня насичення, повноцінності та інших факторів розрізняють біоценози суші, води, природні та антропогенні, насичені й ненасичені, повночленні та неповночленні.

У кожній екосистемі можна виділити такі компоненти: 1) неорганічні речовини (вуглець, азот, вуглекислий газ, вода та ін.), які вступають у колообіг; 2) органічні речовини (білки, вуглеводи, гумінові речовини, ліпіди та ін.), які об’єднують біотичну та абіотичну частини екосистеми; 3) клімат (температура, вологість, тиск та ін.); 4) продуценти – автотрофні організми (переважно рослини); 5) консументи – гетеротрофні організми (переважно тварини); 6) редуценти (деструктори) – гетеротрофні організми (переважно бактерії та гриби). Перші три групи – неживі компоненти, решта становить живу масу (біомасу). Розташування трьох останніх компонентів відносно потоку енергії, що надходить, являє собою структуру екосистеми (рис. 4.3). Продуценти перетворюють сонячну енергію, вуглекислий газ і воду в процесі фотосинтезу на органічну речовину і кисень, тобто на енергію хімічних зв’язків. Консументи, поїдаючи продуцентів, розривають ці зв’язки. Вивільнена енергія використовується консументами для побудови власного тіла. Редуценти руйнують хімічні зв’язки молекул органічних речовин, які розщеплюються, і будують своє тіло. В результаті вся енергія, яку засвоїли продуценти, використовується на підтримання життя, а частина розсіюється в навколишній простір. Органічні речовини розкладаються на неорганічні і повертаються до продуцентів. Таким чином, структуру екосистеми утворюють три рівні (продуценти, консументи, редуценти) трансформації енергії і два колообіги – твердих і газоподібних речовин. Згідно із законом екологічної кореляції, в екосистемі, як і в будь-якій іншій системі, всі види живої речовини і абіотичні екологічні компоненти функціонально відповідають один одному. Випадання однієї частини системи (виду) неминуче призводить до вимикання пов’язаних з нею інших частин екосистеми і функціональних змін.

Рис. 4.3. Структура екосистеми, що влючає потік енергії (ðі è) і два колообіги речовин [твердих ([) і газуватих (Ò)]; 4 – участь у колообігу анаеробних бактерій

Виділяють мікроекосистеми (пеньок з грибами, калюжа, станок), мезоекосистеми (садова ділянка, ліс, озеро) і макроекосистеми (континент, океан). Глобальною екосистемою є біосфера. Ці екосистеми належать до природних. Крім того, поняття екосистем поширюється і на штучно створені людиною об’єкти. А тому залежно від роду діяльності людини виділяють такі екосистеми, як агроценоз (сади,сільськогосподарські угіддя, тваринницькі ферми тощо), промислові екосистеми (вугільна шахта, металургійний завод, очисні споруди тощо). Всі вони об’єднуються в антропогенні екосистеми.

Екосистеми – відкриті функціонально цілісні системи, які існують за рахунок надходження з навколишнього середовища енергії та частково речовини і які саморегулюються та самовідтворюються. Проте антропогенні екосистеми, що створені людиною і функціонують за її безпосередньою участю, не здатні саморегулюватися і самовідтворюватися. Здатність екосистем до саморегуляції та самопідтримання називають гомеостазом. Екосистеми не слід розглядати як щось стале. Система, що зберігає свою стійкість за відносної стабільності зовнішнього середовища, здатна до різних змін внаслідок змін у зовнішньому середовищі і в складі самої екосистеми. Так, у покинутому полі спочатку з’являються багаторічні трави, на зміну яким послідовно приходять чагарники і під кінець деревна рослинність.

Зміна екосистем може відбуватися з різних причин. Розрізняють алогенні та автогенні зміни. Алогенні зміни зумовлені впливом геохімічних сил, які діють на екосистему зовні (кліматичні та геологічні фактори: ерозія, утворення осадових порід, пожежі, гороутворення, вулканізм тощо). Автогенні зміни зумовлені дією внутрішньосистемних процесів (наприклад, евтрофікація водойм під впливом забруднення). Всі зміни, які відбуваються з екосистемами, підпорядковуються закону оптимальності: ніяка система не може звужуватися або розширюватися до нескінченності. Жоден цілісний організм не може перевищити певні критичні розміри, які забезпечують підтримання його енергетики. Ці розміри залежать від умов живлення та факторів існування. Внаслідок інтенсивного забруднення навколишнього природного середовища спостерігаються швидкі зміни природних екосистем, пов’язані зі зникненням багатьох видів тварин і рослин.

У підтриманні гомеостазу беруть участь не лише організми та продукти їхньої життєдіяльності, а й неорганічна природа. Абіотичні фактори контролюють життєдіяльність організмів. Організми, в свою чергу, різними способами впливають на абіотичне середовище. Життєдіяльність організмів постійно призводить до змін інертних речовин, постачаючи в середовище нові речовини і джерела енергії. Швидкість зміни хімічного складу навколишнього середовища в результаті життєдіяльності організмів, які синтезують і розкладають органічні речовини, на чотири порядки вища, ніж швидкість його зміни під впливом геологічних процесів.