Любая экосистема состоит из среды обитания и сообщества ее обитателей. Любой живой организм, входящий в нее, взаимодействует со всеми остальными живыми и неживыми ее элементами (абиотиками), образуя экологическую единицу, которая представляет собой самодостаточную систему. В состав крупных экосистем входят менее крупные, связанные с ней, как ветви дерева с его стволом. Биомы — крупнейшие экосистемы, на которые делится поверхность Земли. Их принято называть по основному типу растительности, растущей в них. Каждая такая экосистема — это среда обитания для множества самых разнообразных видов растений и животных.
Ваша маленькая экосистема
Хороший способ узнать экологию вашей местности — составить ее карту. Сначала нанесите на план основные объекты, такие, как дороги, здания, или подклейте их фотокопии. Затем выйдите из дому, посмотрите вокруг и нанесите на карту расположение основных экосистем (лес, поле и т. д.). Составьте ключ, объясняющий символы — обозначения и цвета, которые вы использовали. Сделав общий набросок карты, вы можете постепенно наносить на нее все новые и новые объекты.
Пищевые цепи
Растения и животные в каждой экосистеме связаны сложными пищевыми цепями. Для получения пиши растения используют солнечную энергию и становятся ее основным источником для животных. Энергия, заключенная в растениях в качестве запасов пищи, проходит через все сообщество организмов по так называемым пищевым цепям. Прежде всего она поступает первичным потребителям — травоядным животным, затем вторичным — животным-хищникам. Животных, поедающих вторичных потребителей, называют третичными потребителями. В каждую пищевую цепь входят также некрофаги. Это бактерии, грибы и некоторые виды насекомых. Они разлагают остатки погибших растений и животных, превращая их в минеральные вещества и гумус. При этом некрофаги получают энергию из перерабатываемых ими веществ.
Некрофаги за работой
Найдите старую трухлявую корягу и понаблюдайте, как она разрушается от деятельности некрофагов. Время от времени фотографируйте или записывайте ее состояние. Интересно, сколько времени будет продолжаться ее распад?
Пищевые сети
В каждой системе существует множество различных пищевых цепей, которые, взаимодействуют друг с другом, образуя более сложные пищевые сети. Ведь многие животные часто питаются различной пищей и, таким образом, занимают места в разных пищевых цепях. Кроме того, пищевыми цепями и сетями связываются между собой разные экосистемы. Например, животные одной экосистемы могут питаться растениями и животными из другой. Так все организмы на Земле связанны между собой огромной пищевой сетью.
Модель пищевой сети
Чтобы лучше представить себе, насколько сложной бывает пищевая сеть, вы можете сделать её модель. Возьмите несколько старых журналов с изображением разных животных и растений, вырежьте их и приколотите на большой лист картона. Недостающие виды животных можно перерисовать из книг. Затем расположите их в порядке пищевых цепей и соедините нитками тех животных, которые поедают друг друга. Для различных экосистем сделайте различные пищевые сети – например, сеть для вашей местности, для африканских равнин или для влажных тропических лесов Амазонки. Чем больше картинок у вас будет, тем сложнее станут ваши пищевые цепи.
В тропиках
Тропики – прекрасная возможность взглянуть на различные уровни в пищевой цепи с точки зрения энергии. На каждом уровне в цепи часть пищи преобразуется в энергию, а другая часть сохраняется. Это означает, что из некоего исходящего количества пищи на каждом последующем уровне определенная часть теряется, и чем выше уровень, тем меньше энергии там останется. Поэтому на каждом последующем уровне может существовать меньше видов животных, чем на предыдущем.
Общая характеристика экосистем, их градаций и устойчивости
Важнейшим экологическим понятием является понятие «экосистема», которое в определенном отношении близко к понятию «биогеоценоз», но оно является более общим и широким, чем последнее; экосистема и биогеоценоз состоят из двух компонентов: биоты и биотопа, но если биогеоценоз тесно связан с конкретной территорией земной поверхности, то экосистемы различных видов могут быть не связанными с конкретной территорией и быть глобальными.
Экосистема — любое сообщество живых существ и среда обитания, объединенные в единое функциональное целое, возникающее на основе взаимосвязи между этими организмами и средой их обитания, за счет чего эта система сохраняет свою устойчивость достаточно длительный промежуток времени.
Это наиболее общий вид понятия «экосистема». Иногда экосистема является синонимом биогеоценоза, но это относится к одной из градаций экосистем. Экосистемой является и капля жидкости, в которой существуют микроорганизмы, обладающие автотрофным и гетеротрофным способами питания (при условии длительного существования такой капли), и самая глобальная экосистема — биосфера Земли.
Различают следующие градации экосистем: микроэкосистемы (например, ствол гниющего дерева, капля жидкости с населяющими ее микроорганизмами и т. д.), мезоэкосистемы (пруд, лес на данной территории, аквариум — как искусственная экосистема и др.), макроэкосистемы (океан, континент) и глобальная экосистема — биосфера планеты Земля. Мезоэкосистемы являются биогеоценозами (это относится к естественным мезоэкосистемам). Глобальная экосистема является совокупностью макроэкосистем, а последние — совокупностью мезоэкосистем или биогеоценозов, т. е. естественная мезоэкосистема (биогеоценоз) — это элементарное звено глобальной экосистемы, т.е. биосферы планеты Земля.
Важной характеристикой экосистемы является ее устойчивость.
Устойчивость системы — это способность системы оставаться относительно неизменной в течение определенного отрезка времени вопреки внутренним или внешним изменениям.
Устойчивость экосистемы — это способность экосистемы сохранять свою структуру и функциональные особенности при воздействии внешних и внутренних факторов.
Устойчивость (в том числе и экологическая) для различных систем относительна, так как любая система подвергается изменениям, но до определенного момента система сохраняет свои основные признаки, изменяясь в некоторых деталях; при очень сильном внешнем или внутреннем воздействии система может измениться коренным образом или погибнуть. Последнее необходимо учитывать при воздействии на экосистему, особенно это важно учитывать при воздействии на биосферу Земли.
Все организмы взаимосвязаны друг с другом и с факторами, характерными для биотопа данного биогеоценоза через обмен веществ и энергии.
Характеристика экосистем как продукта взаимодействия абиотических и биотических факторов
В природе все факторы находятся в определенной взаимосвязи и их взаимодействие формирует определенное сообщество различных организмов, которое в совокупности с конкретным участком территории Земли образует биогеоценозы, или экосистемы в широком понимании этого понятия.
Биогеоценоз состоит из биотопа (иногда как синоним — местообитание вида или совокупности организмов) и биоты. Биотоп формируется под влиянием внешних условий, характерных для данной территории. К условиям биотопа приспосабливаются те или иные организмы и формируется биота данного биогеоценоза. Биота образована двумя компонентами — автотрофными и гетеротрофными организмами. Автотрофы и гетеротрофы состоят из популяций разных видов, приспособленных к совместному существованию и находящихся в определенном динамическом равновесии. На единице площади территории, занимаемой конкретным биоценозом, проживает определенное число особей данного вида, которые образуют популяцию. Число особей в популяции не может быть бесконечно большим, оно регулируется внешними факторами и соответствует правилу пирамиды.
Структура популяций разных видов определяется ее численностью, возрастной и половой составляющими и пространственным распределением на данной территории.
Половая структура популяции определяет скорость размножения особей данной популяции и зависит от условий в данном биотопе. Половая структура сопряжена с различием в поведении и сроках развития самцов и самок, в способах их питания. Например, самцы комаров во взрослом состоянии не питаются, в то время как самки являются кровососущими паразитами.
Возрастная структура популяций зависит от условий, которые необходимы для жизни организма в разных возрастах. Так, головастики лягушек живут в водной среде, а взрослые особи — на суше; устойчивость популяции зависит от возрастного состава и оптимального соотношения организмов разного возраста.
Пространство, которое занимает популяция, неоднородно по своим свойствам, в том числе и по наличию пищевой базы, поэтому заполнение данной территории происходит неодинаково. Для статичных организмов (например растений) плотность заселения зависит от наличия влаги, характера освещения, наличия минеральных солей в легко усваиваемой форме. Для подвижных организмов (членистоногие, позвоночные и т. д.) поиск пищи осуществляется за счет передвижения на большой или на ограниченной территории. По этому признаку различают оседлых и кочевых животных.
Оседлыми называют животных, проживающих на конкретной ограниченной территории.
Примером оседлых животных являются хищники (волки, лисы, львы и т. д.). Оседлость имеет и преимущества, и ограничения. Преимуществом является то, что животное хорошо знает свою территорию и не тратит лишних сил на поиски пищи. Однако на данной территории при сильной эксплуатации возможно истощение пищевых ресурсов, что ограничивает численность особей, живущих на этой территории.
Приспособлением к оседлому образу жизни являются:
1) охрана границ занимаемого пространства и прямая агрессия против чужой особи;
2) «мечение» своей территории пахучими веществами или другим способом (воробьи громко чирикают, суслики нападают на других сусликов, попавших на чужую территорию, кошки, собаки оставляют запаховые метки).
Кочевой образ жизни связан с перемещением организмов на другие территории, когда пищевые запасы на данном участке исчерпаны. К кочевым животным относят оленей, птиц, рыб, которые кочуют стаями, стадами (олени, зебры). Кочевой образ жизни несет меньшую угрозу истощения пищевых ресурсов, но защищенность особей популяции меньше, чем при оседлом образе жизни, а затраты на поиски пищи большие. Однако кочевой и оседлый образы жизни являются разными экологическими нишами, позволяющими реализовать нейтрализм как особый вид взаимоотношений организмов.
Численность популяции, как показано выше, зависит от разных факторов, в том числе и от биотического потенциала — наследственно обусловленной сопротивляемости вида неблагоприятному воздействию различных факторов среды.
Биотический потенциал включает потенциал размножаемости и потенциал выживаемости.
Потенциал размножаемости — это потенциальная возможность организмов увеличивать свою численность в геометрической прогрессии при благоприятных условиях среды (но это практически никогда не реализуется из-за сопротивляемости среды).
Потенциал выживаемости — степень сопротивляемости вида неблагоприятным воздействиям среды, выражаемая в сохранении определенной численности особей данного вида, проживающих на конкретной территории определенной площади.
При особо благоприятных условиях возможно резкое увеличение численности особей данной популяции, называемое популяционным взрывом. Он возможен при нарушении регуляции численности вида в данной среде. Так, в Австралии наблюдался популяционный взрыв для кроликов, которые в данной среде практически не имели врагов, а кормовая база была достаточно обильной.
Важнейшим фактором, регулирующим численность организмов, живущих на данной территории, является сопротивление среды, т. е. комплекс факторов биотического и абиотического характера, способствующих уменьшению численности организмов данного вида на единице площади, занимаемой популяцией.
В комплекс факторов, реализующих сопротивление среды, входят наличие кормовой базы, влажность, световой режим, конкуренция (как внутри, так и межвидовая), наличие врагов и другие факторы. Сопротивление среды тесно взаимосвязано с биотическим потенциалом и его составляющими: при нарушении равновесия между биотическим потенциалом и сопротивлением среды изменяется состав популяции — при уменьшении сопротивления среды численность популяции данного вида увеличивается, что может привести к популяционному взрыву и нарушению равновесия в биоценозе. Резкое увеличение сопротивления среды может привести к гибели популяции в данном биоценозе. Из-за колебания взаимоотношений потенциала выживаемости и сопротивления среды численность особей в популяции циклически колеблется, что приводит к возникновению популяционных волн.
Популяционные волны — колебания численности особей данной популяции в связи с влиянием различных факторов внешней среды (сезонность, стихийные бедствия, обеспеченность пищей и др.), что приводит к изменению концентрации отдельных генов, в результате появляются новые модификации генома, которые являются одним из факторов эволюционного процесса.
Характеристикой популяции является «плотность популяции», т.е. среднее число особей данного вида на единице поверхности или объема пространства. Эта плотность может быть и оптимальной, и критической как по верхнему, так и по нижнему пределам.
Критическая численность популяции по нижнему пределу — это минимальное число особей, проживающих на единице площади, необходимых для такого воспроизводства популяции, при котором вид еще сможет существовать на этой территории.
При относительной стабильности и полной сформированности биогеоценоза он обладает относительной устойчивостью и способностью к самовоспроизведению и длительному существованию. Одним из важнейших условий стабильности экосистемы является многообразие видов, составляющих эту экосистему, так как гибель отдельных видов не приведет к резкому изменению биотического равновесия. Однако резкое изменение условий, вымирание большого числа видов, составляющих данный биогеоценоз, приводит к его разрушению и гибели.
Исторически происходит смена биогеоценозов, причины которой весьма многочисленны. Одной из биологических причин смены биогеоценозов на данной территории является резкая смена абиотических факторов, что происходило в течение длительной геологической истории Земли.
Смена биогеоценозов может происходить и при относительно маломеняющихся абиотических факторах среды за счет заболачивания территорий, изменения физико-химических свойств субстрата, из-за замены одного доминирующего вида растительного сообщества другим. Так, попадание в сосновый бор семян ели приводит к тому, что ель укореняется (она — теневыносливое растение), вырастает, затеняет сосну, которая в условиях затенения не выживает. Сосновый бор заменяется еловым лесом, который по своим условиям резко отличается от бора, что приводит к изменению состава животных, т. е. один биоценоз заменяется другим. Этот пример относится к сукцессиям — смене одного биоценоза другим за счет того, что один доминирующий вид заменяет другой доминирующий вид (в данном примере ель заменила сосну).
Доминирующим видом в данном сообществе называют такой вид, который определяет главные особенности конкретного биоценоза и условия существования всех других видов данной экосистемы (в сосновом бору это сосна).
Итак, совокупность взаимодействия биотических и абиотических факторов (не учитывая воздействия человека) приводит к возникновению относительно устойчивых, способных к достаточно длительному существованию экосистем или биогеоценозов (климаксных систем), обеспечивающих нормальное функционирование организмов разных популяций, образующих данный конкретный биогеоценоз.