Экосистема: понятие, свойства, структура, пищевые взаимосвязи, продуктивность, энергетика

Бесплатно!

Понятие об экосистеме и биогеоценозе

Экосистема основная таксономическая единица экологии (таксон – [taxis -расположение, строй, порядок] – группа соподчиненных объектов в систематике).

Под экосистемой понимается любое сообщество живых существ и среды их обитания, объединенных в единое функциональное целое. Основные свойства экосистем проявляются в способности осуществлять:

  • кругооборот веществ;
  • противостояние внешним воздействиям;
  • производство биологической продукции.

Экосистемы подразделяются на:

  • микроэкосистемы (небольшой водоем, гниющий ствол дерева, аквариум, лужа);
  • мезоэкосистемы (лес, пруд, река, болото и т.д.);
  • макроэкосистемы (океан, континент, природная зона);
  • глобальная экосистема – вся биосфера.

Наряду с понятием экосистема в экологии широко используется близкий по смыслу термин, термин «биогеоценоз» или просто «биоценоз».

Обычно понятие биогеоценоз применяют только к сухопутным экосистемам, содержащим растения (фитоценоз).

Таким образом, каждый биогеоценоз можно назвать экосистемой, но не каждую экосистему можно считать биогеоценозом.

Например, гниющий ствол дерева – это экосистема, но не биогеоценоз, поскольку на нем нет растений и процесса фотосинтеза.

К биогеоценозам относят участки леса, луга, степи и т.п.

Крупные наземные экосистемы называют биомами (совокупность связанных друг с другом экосистем).

Биогеоценоз – практически бессмертен, поскольку в нем идут циклические процессы кругооборота веществ, энергия для которого берется от солнца поглащаясь, усваиваясь в процессе фотосинтеза.

Хотя сейчас термины «экосистема», «биогеоценоз», «биоценоз» – часто рассматриваются как синонимы.

Организация (структура) экосистем

Экосистема состоит из двух частей:

  • живые организмы (биоценоз);
  • факторы среды (биотоп или экотоп).

Рассмотрим блоковую модель биогеоценоза, предложенную В.Н. Сукачевым:

Рис. 2.2 Схема биогеоценоза (В.Н. Сукачев)

Факторы, которые характеризуют экотоп (окружающая среда):

  • температура;
  • влажность;
  • роза ветров;
  • составы атмосферы, почвы, воды;
  • интенсивность солнечного излучения;
  • периодичность и амплитуда изменения параметров и многое другое.

Среда характеризуется не только средними значениями праметров но и амплитудами колебания , макс и мин значениями , переодичностью колебания

Все элементы биогеоценоза связаны между собой. Именно благодаря взаимосвязям элементов экосистемы возможно в принципе бесконечное её существование. Один живой организм существовать долго не может, его время жизни будет ограничено запасами энергии, и загрязнением окружающей среды отходами, которые нельзя использовать вторично (человек не может остаться один).

Связи между элементами экосистемы – основное условие жизни организмов и их сообществ.

Благодаря связям между элементами экосистемы:

– осуществляется питание;

– регулируется численность;

– происходит кругооборот веществ и передача энергии.

Пищевые (трофические) взаимосвязи в экосистемах

Схемы трофических связей

Круговорот веществ базируется на пищевых взаимоотношениях видов.

По особенностям питания живые организмы разделяют на три формы:

  • продуценты (растения, созидающая продуцента);
  • консументы (потребляющие, сведающие) – животные организмы;
  • редуценты (возвращающие, восстанавливающие) –  бактерии, грибы.

Рис. 2.3 Упрощенная схема переноса вещества и энергии.

Продуценты – это живые организмы, способные синтезировать органическое вещество из неорганических составляющих, используя энергию.

Одни продуценты (фотоавтотрофы) используют солнечную энергию, другие (хемоавтотрофы) – химическую, которая выделяется в процессе окисления минеральных веществ.

Доля продуцентов от массы всех живых организмов биосферы составляет 95% от массы.

Органическое вещество продуценты создают, используя процесс фотосинтеза.

Рис. 2.4 Схема создания органического вещества из неорганического (жизнь из праха).

Таким образом, создается пища для других организмов.

Консументы – живые существа, потребляющие органические вещества, созданные продуцентами. Сами производить органическое вещество из неорганического они не могут. Консументы (гетеротрофы) полученное органическое вещество используют для построения собственного тела и как источник энергии (различные организмы от бактерий до синих китов).

По типу источника пищи консументы разделяют на подгруппы:

  • первичные консументы (фитофаги) – питающиеся непосредственно растениями;
  • вторичные консументы – употребляющие в пищу первичных (плотоядные);

Существуют консументы 3 и 4 порядка, а также всеядные виды, которые могут относиться, к нескольким группам. Например, если человек ест овощи – он первичный консумент, говядину – вторичный, щуку – консумент третьего порядка.

В принципе растения и бактерии могли бы существовать и без животных, ведь они могут организовать кругооборот вещества. Однако консументы оказывают сильное влияние на растительный мир и обеспечивают устойчивость кругооборота.

Отметим некоторые функции консументов:

  • переработка органических веществ и создание разнообразия органического вещества, как необходимого условия устойчивости биосферы, укрепл.;
  • активное перемещение в пространстве, стимулирующее пространственную гарантию жизни (Острова, извергающие вулканы,  на которых жизнь через восстанавливается через 50 лет);
  • способность активной регуляции биомассы позволяющая активно и быстро регулировать биомассы на смежных трофических уровнях.

Редуценты (regucens – возвращающий, восстанавливающий).

К этой группе относятся организмы гетеротрофы, которые мертвое органическое вещество (трупы, фекалии, растительный опад) разлагают до неорганических составляющих.

Частично минерализация органических веществ идет у всех живых организмов. В процессе дыхания выделяется СО2, из организма выводится вода, минеральные соли, аммиак и т.д.

К редуцентам относят организмы, которые выделяют во внешнюю среду только неорганические вещества, готовые к вовлечению в новый цикл (многие виды бактерий и грибов).

Полный цикл редукции органического вещества достаточно сложен и состоит из нескольких последовательных звеньев. Эти процессы идут в основном в почве. Первичное разложение выполняют живые организмы детметофаги (детрит – мертвые растительные и животные остатки). К ним относятся земляные черви, муравьи, личинки и другие. Эти консументы разлагают сложные молекулы белков и углеводов на более простые и доступные для бактерий и грибов.

Благодаря деятельности организмов-разрушителей годичный опад органических веществ полностью разлагается:

  • в тропических лесах за 1-2 года;
  • в лиственных за 2-4 года;
  • в хвойных за 4-5 лет;
  • в тундре – десятки лет.

Интенсивность минерализации зависит от температуры, влажности и других факторов.

Продуктивность экосистем

Создание органического вещества (продукции, биомассы) – важнейшая функция экосистем.

Биомассой называют количество живого вещества (организмов или сообществ), которое приходятся на единицу площади или объема.

Интенсивность образования продукции в единицах массы (г, кг, т) на единицу времени (ч, сутки, год) на единицу площади или объема называют продуктивностью экосистемы.

Продукцию растений считают первичной, а животных – вторичной.

Биомасса и продуктивность групп организмов или экосистемы в целом обычно выражают через абсолютно сухой вес.

Величина биомассы экосистем зависит не столько от продуктивности, сколько от продолжительности жизни экосистем и организмов.

Например, продуктивность лесных и луговых систем примерно одинакова, однако по биомассе они сильно различаются:

  • в тропических лесах 800…1000 т/га,
  • в лесах 300…400 т/га,
  • в травяных сообществах 3 – 5 т/га.

Биомасса и её продуктивность – это не только пища и ресурсы, от них зависит средоорганизующая и средостабилизирующая роль экосистем.

Рассмотрим влияние этих параметров на среду.

1. С продуктивностью экосистем прямо связана интенсивность поглощения СО2 и выделение О2. Для образования одной тонны растительной продукции (сухой вес) поглощается 1,5…1,8 т СО2 и выделяется 1,2…1,4 т О2. Биомасса является резервуаром концентрации углерода. В основном органика концентрируется на болотах и на дне глубоких водоемов, где мало кислорода и возможны ядовитые вещества (сероводород).

Наибольшей продуктивностью обладают леса:

– тропические 20 – 25 т/га/год 24 – 35 т/га/год
– северные 6 – 10 т/га/год 7,2 – 14 т/га/год

Несмотря на маленькую продуктивность северных лесов роль их ²как легких планеты² более значительна. Это объясняется тем, что в тропических лесах практически не накапливается мертвое органическое вещество, детлит. Поэтому все что образовано, разлагается, поглощая кислород и выделяя СО2.

2. Большие биомассы имеют большую площадь контакта с окружающей средой и влияют на её параметры. Лесные экосистемы способны поглощать до 50…60 т/га/год пыли (пылеулавливающая функция зависит от свойств листьев и хвои; хвоя

3. Очистка от химических загрязнений, которые аккумулируются листьями, а затем после листопада попадают в почву и включаются в кругооборот. (Можно подбирать специальные виды растений, для уменьшения последствий можно применять искусственное дождевание).

4. Водо-охранная и водорегулирующая функция. Например, над лесами выпадает больше осадков (повышенная влажность, неровность поверхности) и эти осадки в большей степени идут на питание грунтовых вод.

Энергетика экосистем. Пирамиды энергии и биомасс

В отличие от биологического круговорота веществ, потоки энергии идут в одном направлении: первично накопленная в продуцентах энергия постепенно рассеивается в виде тепла на всех этапах трофических цепей. Процесс рассеивания энергии растянут во времени, так как на отдельных этапах энергия аккумулируется в химических связях.

Важнейший, единственный источник энергии в современной биосфере – солнце. Растения в результате процессов фотосинтеза способны использовать энергию солнечной радиации, только видимой части спектра (0,38…0,71 мкм; инфракрасная, радиоактивная часть, и ультрафиолетовая), которая составляет 40% от общей энергии, достигающей поверхности Земли. Растения используют в среднем 1% от этой энергии. В лучших случаях эта цифра составляет 3…5%.

Энергию, которую усваивают консументы вместе с пищей, путем потребления продуцентов можно разделить на три части:

Первая часть расходуется на поддержание жизнедеятельности (движение, стабилизацию температуры и т.п.). Эту часть рассматривают как траты на дыхание, с которым связано преобразование, освобождение энергии химических связей органического вещества.

Вторая часть энергия идет на увеличение массы.

Третья часть энергии не высвобождается и не усваивается организмом, она вместе с экскрементами выводится из организма и используется, но другими организмами, которые её потребляют. Соотношение между частями энергии зависит от вида живых организмов, вида пищи и от периода жизнедеятельности.

Например, выделение энергии с экрементами у плотоядных невелико, у травоядных больше, а у гусениц, некоторых насекомых достигает 70%

В среднем вторая часть энергии, которая переходит, в виде массы с одного трофического уровня на другой, составляет примерно 10%.

Эту закономерность называют ²правилом десяти процентов², или правилом экологических пирамид. Количество организмов, как правило, тоже уменьшается от основания к вершине.

Рис. 2.8.  Пирамиды чисел ²а², массы ²б² и энергии ²в²

Из этого правила следует, что цепи питания имеют ограниченное число уровней, обычно не более 4 – 5. Пройдя через них, вся энергия окажется рассеянной.

Используя правило экологических пирамид можно сделать три важных практических вывода.

1. С экологической точки зрения крайне нецелесообразно использование животной продукции, особенно на верхних уровнях цепей питания. Поскольку образование этой продукции связано с большими потерями (рассеиванием) энергии,  особенно при переходе от растений к травоядным животным.

2. Для сокращения дефицита продуктов питания, учитывая быстрый рост численности населения, надо чтобы в рационе людей, большую долю составляла растительная пища. Вегетарианство энергетически идеально.

3. Для увеличения коэффициента полезного действия использования пищи при производстве животноводческой продукции важно уменьшить трату энергии на дыхание. (Оптимальный температурный режим, ограничение подвижности животных, сбалансированность кормового рациона).

При потреблении 80…100 кг мяса в год/чел невозможно обеспечить 6 миллиардов населения. При вегетарианском питании и других мероприятиях Земля могла бы прокормить 10…12 миллиардов человек.

В заключении следует отметить, что энергетические ценности растительной и животной пищи различаются примерно на 30%. (Животная продукция содержит 6…7 ккал/г, растительная 4…5ккал/г).

Связи организмов в экосистемах

Связи организмов с абиотическими факторами (два вида связи: температура, состав почвы) и другими организмами – это основное условие жизни организмов и их сообществ, через них осуществляется:

  • питание;
  • регулирование численности;
  • устойчивость систем,
  • поглощение и рассеивание энергии;
  • кругооборот веществ;
  • образование, охрана, стабилизация экосистем.

Экосистемные связи созданы в ходе эволюционного процесса, поэтому любое их нарушение не остается бесследным и требует длительного времени для восстановления.

Все связи разделяют на 2 группы: взаимосвязи и взаимоотношения.

Рис.2.9. Связи между организмами

Взаимосвязи основаны на интересах. Их разделяют на четыре типа.

  1. Пищевые или трофические (трофо – питание) возникают при питании одного организма другим или продуктами его жизнедеятельности, например, экскрементами.
  2. Топические (топос – место) – основаны  на использовании мест обитания. Например, растения служащие убежищем для животных и насекомых.
  3. Форические (форос – наружу, вон) – возникают, когда одни организмы участвуют в распространении других или их зачатков (семян, плодов, спор). Перенос может, осуществляется на наружных покровах животного или в пищеварительном тракте.
  4. Фабрические (фабрикато – изготовление) – основаны на использовании организмов или продуктов их жизнедеятельности для постройки гнезд, убежищ.

Взаимоотношения организмов характеризуют математическими знаками:

+  – положительно;

— – отрицательно;

0 – нейтрально;

Взаимовыгодные отношения называют симбиоз или матуализм и означают (+,+).

Например, травоядные животные и растения. Поедание растений способствует повышению продуктивности. И устойчивости.

Взаимоотношения положительные для одною и отрицательные для другого обозначают (+,-), характеризуются как хищничество и паразитизм, (заяц – лиса; лиса – клещ).

Эти типы взаимоотношений играют большую роль в регулировании численности организмов.

Взаимоотношения хищник – жертва постоянно совершенствуются.

Взаимоотношения паразита и хозяина развиваются в сторону приспосабливания.

Конкуренцией называют взаимоневыгодные отношения партнеров (-, -). Конкуренция тем сильнее, чем ближе потребности организмов.

Организмы одного вида имеют наиболее близкие интересы, поэтому внутри видовая конкуренция более острая по сравнению с межвидовой.

Отношения типа конкуренция и хищник – жертва способствуют совершенствованию видов, а симбиоз – оптимизации жизни и более полному освоению среды.

Комменсализм (комменсал – сотрудник) – это отношения типа (+,0), то есть полезные для одного и безразличные для другого. Иногда их делят на – нахлебничество (поедание остатков пищи[львы – гиены]) – квартиранство (насекомые в норах или гнездах).

Аменсализм (аменс – безрассудный, безумный) – тип отношений (-, 0)отрицательный для одного и безразличный для другого. Например, светолюбивое растение, затемняемое елью.

Нейтрализм – тип отношений, когда организмы, занимая исходные места обитания, практически не оказывают влияния друг на друга (белки и лоси в лесу).

Детали:

Тип работы: Конспект, Лекции

Предмет: Экология

Svg Vector Icons : http://www.onlinewebfonts.com/icon Из сборника: Лекции по экологии

Год написания: 2012

Добавить комментарий

Ваш email не будет показан.

Получать новые комментарии по электронной почте. Вы можете подписаться без комментирования.