Общая характеристика. Экосистема является основным понятием экологии

Экосистема является основным понятием экологии. Она может быть представлена самыми различ­ными по масштабу образованиями - от обычной лужи до аквариума, до биосферы в целом. Близким к данному понятию является пред­ложенный акад. В.М. Сукачевым термин биогеоценоза (однородного участка земной поверхности с определенным составом живых и косных элементов и динамическим взаимодействием между ними). Понятие биогеоценоза является синонимом наземных экосистем,

В каждой экосистеме выделяют 2 блока - ее косная и биокосная часть - экотоп и живая часть - биоценоз (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Общая схема экосистемы и круговорота вещества и энергии в ней (по Н.Ф. Реймерсу)

Общий перечень элементов экосистемы включает:

1. Неорганические вещества ( , , , и т.д.), содержащиеся в виде газов, жидкости и ингредиентов субстрата.

2. Органические соединения (белки, углеводы, липиды, гумус и т.д.), содержащиеся в живых организмах и отчасти в субстрате.

3. Субстрат - среда или основа, в которой постоянно обитают и развиваются организмы (верхний слой литосферы, гидросферы и ее донные отложения, отчасти атмосфера).

4. Автотрофы или продуценты, т.е. организмы, способные к фото- или хемосинтезу и являющиеся создателями органических веществ из неорганических.

5. Гетеротрофы или консументы, т.е. потребители органического вещества.

6. Редуценты, чаще всего являющиеся микроконсументами, разла­гающими мертвое органическое вещество и превращаюшие его в не­органическое, которое способны усваивать продуценты.

Три последних компонента экосистемы обычно разделены в пространстве (продуценты - в верхнем ярусе леса и луга, редуценты - в почве) и во времени. Некоторые органические вещества могут находиться только в живых организмах, другие - только вне организмов (например, гумус, составлявший основу плодоро­дия почвы), третьи находятся и в живом, и в косном веществе, но активно функционируют только в составе живого вещества (например, хлорофилл).

Чисто биологические компоненты экосистемы (продуценты, консументы, редуценты) различавтся по типу питания и месту в круговороте веществ и энергии. Продуценты, к которым прежде всего относятся зеленые растения, обеспечивают в процессе фо­тосинтеза за счет энергии солнечного света образование нового органического вещества - углеводов. Всего в процессе фотосин­теза в биосфере за год создается около 100 млрд.т углеводов, •усваивается около 200 млрд.т СО₂ и выделяется 175 млрд.т сво­бодного О₂. В природе существует и бактериальный фотосинтез, в котором окислителем выступает сероводород и органические сое­динения. Такой вид фотосинтеза важен для круговорота серы: в стоячих пресных водах он дает до 25Х всей вновь образуемой би­омассы. Там, где отсутствует свет (например, на дне океана), органическое вещество создается за счет хемосинтеза.

Вновь создаваемое органическое вещество вместе с содержа­щейся в нем энергией является источником питания для консументов. Различается несколько видов консументов-травоядных (или первичных) и плотоядных (или вторичных). Вторичные консументы могут быть нескольких порядков (ежик – лиса – волк - медведь).

Последним биологическим компонентом экосистемы являются редуценты, которые в основном представлены микроорганизмами. Редуценты разлагают органическое вещество в присутствии О₂(аэробное разложение) или в его отсутствии (анаэробное разложение) до неорганических веществ, которые в состоянии усваивать другие организмы - продуценты. Существенная роль в разрушении органического вещества принадлежит и мелким консументам. Разложение органических веществ может обеспечиваться и другими путями. Например, для некоторых экосистем существенное значение в этом процессе имеют лесные, степные или торфяные повара.

Рассмотрим два очень распространенных примера экосистем -наземную лугопастбищную и озерную. В каждой из этих систем ис­точником энергии является Солнце, среда в первой системе представлена атмосферным воздухом и почвой, во второй системе - водой и донными осадками. Продуцентами в первой системе бу­дут относительно крупные растения, во второй - очень мелкие, часто микроскопические формы (фитопланктон). Функции консументов первого порядка на лугах выполняют растительноядные животные (насекомые и млекопитаищиеся лугопастбищного сообщества), в озерах - зоопланктон в толще воды; консументами второго по­рядка на лугу являются птицы и другие сухопутные животные, а в озере - рыбы. Различный видовой состав будут иметь и редуценты луга и озера (разлагавшие бактерии и грибы). Таким образом, структура и функционирование обоих экосистем сходны, но их среда и видовой состав биоценозов (т.е. совокупность живых су­ществ, входящих в каждую экосистему) различны. При этом виды растений, микроорганизмов и животных каждой из рассмотренных экосистем, взятых в конкретных границах того или иного луга или озера, представляют собой популяции соответствующих трав, насекомых, птиц, грызунов, рыб и т.д.

Скорость разложения мертвых организмов зависит от вида органического вещества. Ткани животных могут разлагаться срав­нительно быстро, а древесина - более медленно. Наиболее устой­чивым продуктом разложения является гумус, накапливающийся в почвах столетиями. Процесс разложения ускоряется человеком за счет сжигания органических веществ, ускорения распада гумуса при интенсивном или нерациональном сельскохозяйственном произ­водстве, сведении и сжигании лесов. Часть вновь образованного органического вещества может храниться в экосистеме в форме запасов веществ.

Параллельно круговороту веществ в экосистеме идет круговорот энергии с неизбежными ее потерями на каждом этапе. Эти потери в схеме (рис. 1.4) обозначены как сток тепла. Сток теп­ла обозначает неизбежное рассеивание энергии для поддержания экосистемы на более высоком уровне упорядоченности, т.е. на более низком уровне энтропии. Такая возможность поддержания высоких степеней упорядоченности на первый взгляд противоречит второму закону термодинамики (закону энтропии). Однако для не­равновесных сред эта возможность была теоретически

доказана лауреатом Нобелевской премии Ильёй Пригожиным (см. подраздел 1.1).

В экосистеме создаются определенные запасы вещества и энергии, часть из которых может экспортироваться из системы. В наше время в биосфере в целом распадается количество вещества, примерно равное вновь образуемому. Однако около 300 млн. лет тому назад распад органического вещества был меньше; определенная его часть оставалась в биосфере, образуя запасы горючих ископаемых. В последующие эпохи наблюдались колебания в созда­нии и распаде органики, что привело к изменению содержания СО₂ в атмосфере планеты и соответственно к глобальным изменениям климата, одним из проявлений которых были оледенения.