Экосистема

Введение

     Любое живое существо — часть биосферы и зависит от других живых существ — растений, животных, человека, а также от окружающей среды — климата, почв, воды, воздуха.

    Науку о взаимосвязи и взаимодействии различных факторов среды с организмами называют экологией — от греческого слова «ойкос», что значит «домашнее хозяйство».

     Экология изучает связи живых существ между собой и их отношения с окружающей средой, а также влияние разных факторов на живые существа.

     В  основе экологического взгляда на мир лежит представление о том, что каждое живое существо окружено множеством влияющих на него различных факторов. Со всеми этими факторами организмы вступают в очень сложные взаимоотношения, зависят друг от друга. Складываются сообщества растений и животных, выделяются свои места обитания, каждое со своими особенностями.

     Такие участки суши называют биотопами. Биотоп предоставляет возможности для жизни определенной группе растений и животных. При этом существование какого-то вида может зависеть даже от одного-единственного фактора. Например, очень немногие организмы выдерживают крайнюю нехватку воды в пустыне или отсутствие тепла в Арктике. Там выживают те, кто приспосабливается к этим условиям. Кактусы приспособлены к нехватке воды, кувшинки — к жизни в воде, камнеломка — к жизни на скалах. Сообщество растений, животных, микроорганизмов, которые приспособились жить вместе на одном участке суши или в одном водоеме, называют биоценозом. А он образует со своим биотопом единое целое, называемое экологической системой, кратко — экосистемой.

      Пример экосистемы — болото и его обитатели. Взаимоотношения между организмами и их средой всегда сложны.  
 
 
 

Глава 1 Экосистема

Экосистема или экологическая система    (от греч. óikos  — жилище, местопребывание и система), природный комплекс образованный живыми организмами (биоценоз) и средой их обитания (биотоп), связанными между собой обменом веществ и энергии. Одно из основных понятий экологии.

Примеры Экосистем — пруд с обитающими в нём растениями, рыбами, беспозвоночными животными, микроорганизмами, донными отложениями, с характерными для него изменениями температуры, количества растворённого в воде кислорода, состава воды и т. п., с определённой биологической продуктивностью; лес с лесной подстилкой, почвой, микроорганизмами, с населяющими его птицами, травоядными и хищными млекопитающими, с характерным для него распределением температуры и влажности воздуха, света, почвенных вод и др. факторов среды, с присущим ему обменом веществ и энергии.

Понятие “экосистема” введено английским ботаником А. Тенсли (1935), который обозначил этим термином любую совокупность совместно  обитающих организмов и окружающую их среду.

По современным  представлениям, экосистема как основная структурная единица биосферы — это взаимосвязанная единая функциональная совокупность живых организмов и среды их обитания, или уравновешенное сообщество живых организмов и окружающей неживой среды. В этом определении подчеркнуто наличие взаимоотношений, взаимозависимости, причинно-следственных связей между биологическим сообществом и абиотической средой,

объединение их в функциональное целое. Биологи  считают, что экосистема — совокупность всех популяций разных видов, проживающих на общей территории, вместе с окружающей их неживой средой.

В.Н. Сукачевым (1972) в качестве структурной единицы  биосферы предложен биогеоценоз. Биогеоценозы — природные образования с четкими границами, состоящие из совокупности живых существ (биоценозов), занимающих определенное место. Для водных организмов — это вода, для организмов суши — почва и атмосфера.

Понятия “биогеоценоз”  и “экосистема” до некоторой степени  однозначны, но они не всегда совпадают по объему. Экосистема — широкое понятие, экосистема не связана с ограниченным участком земной поверхности. Это понятие применимо ко всем стабильным системам живых и неживых компонентов, где происходит внешний и внутренний круговорот веществ и энергии. Так, к экосистемам относятся капля воды с микроорганизмами, аквариум, горшок с цветами, аэротенк, биофильтр, космический корабль. Биогеоценозами же они не могут быть. Экосистема может включать и несколько биогеоценозов (например, биогеоценозы округа, провинции, зоны, почвенно-климатической области, пояса, материка, океана и биосферы в целом). Таким образом, не каждую экосистему можно считать биогеоценозом, тогда как всякий биогеоценоз является экологической системой.  
 
 
 
 
 
 
 

1. 1  Виды экосистем

Масштабы экосистем  различны: микросистемы (например, болотная кочка, дерево, покрытый мхом камень или  пень, горшок с цветком и т.п.), мезоэкосистемы (озеро, болото, песчаная дюна, лес, луг и т.п.), макроэкосистемы (континент, океан и т.п.). Следовательно, существует своеобразная иерархия макро-, мезо- и микросистем разных порядков.

Биосфера —  экосистема высшего ранга, включающая, как уже было отмечено, тропосферу, гидросферу и верхнюю часть литосферы  в пределах “поля” существования  жизни. Она имеет громаднейшее разнообразие сообществ, в структуре которых обнаруживаются сложные сочетания растений, животных и микроорганизмов с разными способами жизни. В этой мозаике прежде всего выделяются экосистемы наземные и водные. Согласно сформулированному В.В. Докучаевым (1896) закону географической зональности на земной поверхности закономерно распространены различные природные сообщества, которые в комплексе и образуют единую экосистему нашей планеты. В пределах обширных территорий, или зон, природные условия сохраняют общие черты, изменяясь от зоны к зоне. Климат, растительность и животные распределяются на земной поверхности в строго определенном порядке. А раз агенты-почвообразователи, в своем распространении подчиненные известным законам, распределяются по поясам, то результат их деятельности — почва — должен распределяться по земному шару в виде определенных зон, идущих более или менее параллельно широтным кругам. Отчетливо видна смена Арктики и Субарктики тундрой, тундры —лесотундрой, таежно-лесной зоны — лесостепью и степью, а далее и полупустынными пространствами на территории России. Заметна и смена равнинных экосистем горными (Кавказ, Урал, Алтай и др.). Во всех этих макроэкосистемах разного порядка следует рассматривать лишь сходные типы сообществ, формирующихся в сходных климатических условиях среды различных частей планеты, а не видовой состав и популяции макроэкосистем. Кроме того, выражена дифференциация

экосистем в  зависимости от локальных условий (геологических факторов, рельефа, почвообразующих  пород, почв и т.д.), где уже можно рассматривать и оценивать популяции разных видов, видовой состав экологических систем. Все это многообразие экосистем биосферы, особенно планетарных (суша и океан), а также провинциальных и зональных, необходимо изучать, сопоставляя их продуктивность, которая будет рассмотрена в отдельном разделе.

Для наземных экосистем  установлена следующая иерархия: биосфера — экосистема суши — климатический  пояс — биоклиматическая область  — природная ландшафтная зона — природный (ландшафтный) округ— природный (ландшафтный) район — природный (ландшафтный) подрайон — биогеоценотический комплекс — экосистема.

Экосистемы, измененные деятельностью человека, называют агроэкосистемами (полезащитные лесные полосы, поля, занятые сельскохозяйственными культурами, сады, огороды, виноградники и др.). Их основой являются культурные фитоценозы — многолетние и однолетние травы, зерновые и другие сельскохозяйственные культуры. Они получают дополнительную энергию в виде обработки почвы, внесения удобрений, поливных вод, пестицидов и от других мелиорации, что существенно преобразует почвы, изменяет видовой состав, структуру флоры и фауны. В результате взамен устойчивых экосистем формируются менее устойчивые. Дотации энергии новым агроэкосистемам, возможности мелиорации природных экосистем должны основываться на нормах соотношения пашни, лугов, леса и вод в соответствии с почвенно-климатическими и хозяйственными условиями, а также на законах, правилах и принципах экологии.  
 
 

1.2 Классификация экосистем (Таблица №1)

По типу обеспечения  энергией экосистемы разделяются на автотрофные, которые используют неорганический углерод и энергию Солнца или химических связей, и гетеротрофные, которые используют уже готовые органические соединения.

Кроме того, различают  естественные экосистемы и антропогенные, создаваемые человеком.

Разделение экосистем  на антропогенные и естественные весьма относительно, так как сегодня  в мире нет экосистем, которые  бы не испытывали влияние человека.

В гетеротрофных  экосистемах основой «работы» является химическая энергия, уже фиксированная в органическом веществе. Пример естественной гетеротрофной экосистемы - глубоководная океаническая экосистема: она живет за счет «питательного дождя» - детрита, образующегося в автотрофной экосистеме освещенного слоя океана. Обитатели пещер (различные низшие животные и бактерии) питаются экскрементами летучих мышей, которые в ночные часы питаются насекомыми вне пещеры, функционирование городских экосистем возможно только в том случае, если в них будут постоянно поступать ресурсы (включая продовольствие) и энергия. Продуценты (растения) в городе есть, но их продукции очевидно недостаточно для жизни такой экосистемы.

Существуют и  естественные хемоавтотрофные экосистемы - сообщества бактерий в глубинных  водах земной коры, которые используют энергию реакций окисления серы или железа. Уже в наши дни ученые открыли удивительные хемоавтотрофные экосистемы в океанических глубинах, где из разломов земной коры на поверхность выходят горячие воды, насыщенные серой.

Продуцентами  в этих экосистемах являются серные бактерии, которые мутуалистически  связаны с беспозвоночными животными - погонофорами. За счет погонофор кормятся десятки видов животных и бактерий, составляющих ансамбли в этих глубоководных  «оазисах». Это очень продуктивные экосистемы, но площадь их невелика, и потому вклад в продукцию органического вещества планеты несопоставим с вкладом фототрофных экосистем. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Глава 2 Методы экологических исследований

Методологической  основой экологии является системный подход в исследованиях. На основе системного подхода изучают свойства высокоорганизованных объектов, т.е. многообразие связей между элементами экосистемы, их разнокачественость и соподчинение. При этом нельзя забывать о том, что экосистемы находятся в состоянии динамического равновесия и способны противостоять изменениям природной среды.

Системный подход состоит из следующих этапов: определение  состава экосистемы и объектов окружающей среды, которые оказывают воздействие  на нее; определение совокупности внутренних связей и связей с окружающей средой. В системном анализе используют различные методы.

Наблюдения проводят за состоянием отдельных экосистем  и компонентов экосистемы в конкретных условиях (в поле), за их взаимосвязи  в различных ландшафтах. Определяют видовой состав всех организмов экосистем и условия их существования. Устанавливают связи между видами, неживыми компонентами, между организмами различных видов и природно-климатическими условиями. Особое внимание уделяют количественным характеристикам – температуре, влажности, численности и плотности популяций и др. Выделяют различные зависимости, связи между элементами экосистемы и внешними условиями, а также постоянно исследуют динамику (сезонную, годовую, многолетнюю) всех организмов экосистем.

Наилучший метод  наблюдений – метод мониторинга  на определенных стационарах с использованием современных датчиков, дистанционного зонирования.

Когда экосистему изучают без нарушения ее функционирования, это относится к наблюдениям, даже если в исследованиях применяют какую-либо аппаратуру, например датчику. Исследование, связанные с вмешательством состав или структуру экосистемы (введение дополнительных факторов – внесение удобрений, химических средств борьбы с вредными видами, орошение, осушение и др.), относятся к экспериментам. Они могут быть однофакторными или многофакторными (изучают один или несколько изменяющихся факторов), непреднамеренными антропогенными (отстрел волков в Канаде).

Наблюдаемые факторы  проверяют на математических моделях, Часто применяют и биологические модели – экосистемы из организмов, создаваемых в лабораториях. Это промежуточный этап между природными экосистемами и математическими моделями.

Моделирование – основа научного анализа системной экологии. Процесс перевода физических, биохимических, биологических представлений об экосистемах в ряд зависимостей и операции над полученной математической системой называют системным анализом.

При моделировании  стремятся создать упрощенную модель, сходную с оригиналом. Свойства и  поведение модели можно эффективно исследовать, а данные изучения применить к оригиналу. Для моделирования используют различные методы, в том числе модели идеализированных экосистем из одной популяции при полном достатке элементов питания, отсутствии вредителей и болезней.

Моделирование природных процессов – метод  анализа результатов исследований экологических проблем путем  упрощения сложных экосистем, применения математических методов, кибернетики, ЭВМ. Степень детализации моделей  зависит от уровня из вхождения в общую структуру системы, конкретных пространственно-временных характеристик моделируемых на определенных уровнях природных процессов. Модели общего характера отражают информационную взаимосвязь различных уровней экосистем, включают многофункциональные проявления объектов среды для прогнозирования путей эволюции экологических систем, создания моделей более совершенных экосистем по сравнению с существующими.

В экологии часто  применяют колориметрические, хроматографические, спектрометрические, изотопные методы исследований.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. 1 Функциональные блоки экосистемы

Экосистема основана на единстве живого и неживого вещества. Суть этого единства проявляется  в следующем. Из элементов неживой  природы, главным образом молекул CO2 и H2O, под воздействием энергии солнца синтезируются органические вещества, составляющие все живое на планете. Процесс создания органического вещества в природе происходит одновременно с противоположным процессом - потреблением и разложением этого вещества вновь на исходные неорганические соединения. Совокупность этих процессов протекает в рамках экосистем различных уровней иерархии. Чтобы эти процессы были уравновешены, природа за миллиарды лет отработала определенную структуру живого вещества системы.