Экосистема: виды экосистем и их состав

Энергия и продуктивность экосистем

Итак, жизнь в экосистеме поддерживается благодаря непрекращающемуся прохождению  через живое вещество энергии, передаваемой от одного трофического уровня к другому; при этом происходит постоянное превращение  энергии из одних форм в другие. Кроме того, при превращениях энергии  часть ее теряется в виде тепла.

 Весь запас энергии сосредоточен в массе органического вещества - биомассе, поэтому интенсивность образования и разрушения органического вещества на каждом из уровней определяется прохождением энергии через экосистему (биомассу всегда можно выразить в единицах энергии). Скорость образования органического вещества называют продуктивностью. Различают первичную и вторичную продуктивность. В любой экосистеме происходит образование биомассы и ее разрушение, причем эти процессы всецело определяются жизнью низшего трофического уровня - продуцентами. Все остальные организмы только потребляют уже созданное растениями органическое вещество и, следовательно, общая продуктивность экосистемы от них не зависит. Высокие скорости продуцирования биомассы наблюдаются в естественных и искусственных экосистемах там, где благоприятны абиотические факторы, и особенно при поступлении дополнительной энергии извне, что уменьшает собственные затраты системы на поддержание жизнедеятельности. Такая дополнительная энергия может поступать в разной форме: например, на возделываемом поле - в форме энергии ископаемого топлива и работы, совершаемой человеком или животным. Таким образом, для обеспечения энергией всех особей сообщества живых организмов экосистемы необходимо определенное количественное соотношение между продуцентами, консументами разных порядков, детритофагами и редуцентами. Однако для жизнедеятельности любых организмов, а значит и системы в целом, только энергии недостаточно, они обязательно должны получать различные минеральные компоненты, микроэлементы, органические вещества, необходимые для построения молекул живого вещества.

Круговорот элементов в экосистеме

Откуда изначально берутся в  живом веществе необходимые для  построения организма компоненты? Их поставляют в пищевую цепь все  те же продуценты. Неорганические минеральные  вещества и воду они извлекают  из почвы, CO2 - из воздуха, и из образованной в процессе фотосинтеза глюкозы  с помощью биогенов строят далее  сложные органические молекулы - углеводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты, витамины и т.п.  Чтобы необходимые  элементы были доступны живым организмам, они все время должны быть в  наличии.  В этой взаимосвязи реализуется  закон сохранения вещества. Его удобно сформулировать следующим образом: атомы в химических реакциях никогда  не исчезают, не образуются и не превращаются друг в друга; они только перегруппировываются с образованием различных молекул  и соединений (одновременно происходит поглощение или выделение энергии). В силу этого атомы могут использоваться в самых различных соединениях  и запас их никогда не истощается. Именно это происходит в естественных экосистемах в виде круговоротов элементов. При этом выделяют два  круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).   Круговорот воды является одним из грандиозных  процессов на поверхности земного  шара. Он играет главную роль в связывании геологического и биотического круговоротов. В биосфере вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совершает  малый и большой круговороты. Испарение воды с поверхности  океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков  на поверхность океана образуют малый  круговорот. Если же водяной пар  переносится воздушными течениями  на сушу, круговорот становится значительно сложнее. В этом случае часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая - питает реки и водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая тем самым большой круговорот. Важное свойство круговорота воды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу. Вода - важнейший компонент всего живого. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растения в процессе транспирации, привносят минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений.  Обобщая законы функционирования экосистем, сформулируем еще раз основные их положения:

1) природные экосистемы существуют  за счет не загрязняющей среду  даровой солнечной энергии, количество  которой избыточно и относительно постоянно;

2) перенос энергии и вещества  через сообщество живых организмов в экосистеме происходит по пищевой цепи; все виды живого в экосистеме делятся по выполняемым ими функциям в этой цепи на продуцентов, консументов, детритофагов и редуцентов - это биотическая структура сообщества; количественное соотношение численности живых организмов между трофическими уровнями отражает трофическую структуру сообщества, которая определяет скорость прохождения энергии и вещества через сообщество, то есть продуктивность экосистемы;

3) природные экосистемы благодаря  своей биотической структуре  неопределенно долго поддерживают  устойчивое состояние, не страдая  от истощения ресурсов и загрязнения  собственными отходами; получение  ресурсов и избавление от отходов  происходят в рамках круговорота  всех элементов.

  2.Воздействие человека на развитие экосистем

Наблюдаемый в наше время экологический  кризис — это в первую очередь  кризис редуцентов, не справляющихся  с количеством и качественным составом образующихся отходов человеческой деятельности.

 Однако и продуцентам, и  консументам тоже приходится  нелегко. Люди истребляют их  как прямо — вырубая леса  или отстреливая животных сверх  их возможности к восстановлению, так и косвенно — через загрязнение  воды, почвы и воздуха.

 За миллиарды лет развития  природа для каждого продуцента  и консумента создала своего  редуцента, и ни один организм  в естественных условиях не  остается неразложившимся. Но  человек за несколько десятилетий  создал тысячи новых соединений, природе не известных или отвергнутых  ею в ходе эволюции как опасных  для жизнедеятельности организмов. Соответственно и редуцентов, способных  вернуть эти соединения в исходное  состояние, в природе не существует. В результате, с одной стороны,  быстро накапливаются захламляющие  и отравляющие природу вещества, а с другой — истощаются  исходные ресурсы.          Круг, созданием которого природа  обеспечила возможность относительно  бесконечной дальнейшей эволюции  живого вещества, размыкается человеком.

 Человек, воздействуя на какой-либо  один компонент природы, например, вырубая деревья, тем самым  влияет на весь биогеоценоз  леса, нарушая происходящий в  нем круговорот веществ, без  которого количество питательных  веществ и энергии быстро иссякнет.

 В процессе управления природопользованием  важно правильно установить границы  экологических систем. Например, в  экосистему реки входит не только она сама, но и весь бассейн ее водосбора или стока. Поэтому деятельность, направленная на охрану реки от обмеления и загрязнения, должна распространяться на охрану верховых болот, мелких притоков, прибрежной растительности.

 Сообщество взаимодействующих  живых организмов, состоящее из  продуцентов, консументов и редуцентов, называется биоценозом. Территория  с присущими ей факторами, занятая  определенным биоценозом, называется  биотопом. Биоценоз представлен  приспособленными друг к другу  растительностью, животными и  микроорганизмами. Совокупность биотопа  и биоценоза составляет биогеоценоз.

 Биогеоценоз — это один  из вариантов экосистемы.

 Между экосистемами, как и  между биогеоценозами, обычно нет  четких границ, и одна экосистема  постепенно переходит в другую.

 В таких зонах животные  и растения обоих биомов переплетаются  и находятся на пределе своих  приспособительных возможностей. Поэтому  человек должен быть особенно  осторожен в своей деятельности  в этих районах.

 В нормальном состоянии любой  экосистеме присуще устойчивое  состояние, называемое гомеостазом,  характеризующееся динамическим  равновесием между рождаемостью  и смертностью, потреблением и  освобождением вещества и энергии.  Например, если в системе "олень—волк" численность оленя растет, то  за счет этого и волк может  увеличить свою численность, не  давая оленям слишком быстро  размножиться и истребить слишком  большое количество растений-продуцентов.

  Таким образом, экосистемы  сопротивляются воздействию нарушениям  их стабильности. Система тем  надежнее и стабильнее, чем больше имеется возможностей для экологического дублирования, чем шире пищевая сеть.

 В связи с этим наиболее  ранимы и требуют особой осторожности  при хозяйственном освоении экосистемы  районов Севера, где из-за суровых  климатических условий видовое  разнообразие в десятки раз  беднее, чем в умеренных и жарких  широтах. Например, на арктических  островах видовое богатство высших  растений не превышает 50— 100 видов на 100 квадратных километров, а в тропиках на такой же  площади можно обнаружить более  1000 видов.

 Так как в природе постоянно  возникают большие и маленькие  неприятности и проблемы, то для  непрерывного протекания процесса  эволюции она должна иметь  громадный состав видов, с которыми  можно было бы экспериментировать, находя и развивая в них  путем естественного отбора те  качества, которые помогают преодолевать  периодически возникающие кризисы.

 Кроме того, от видового богатства  системы зависит и многообразие  экологических факторов, действующих  в ней. При этом действие  некоторых из них направлено  в противоположные стороны, и  если факторов достаточно много,  то по закону больших чисел  их влияния взаимопогашаются  и не выводят систему из  равновесия. Например, уменьшение количества  лисиц будет способствовать росту  количества мышей, а увеличение  сов — снижению этого роста.

 В то же время человек  прямо (убивая) или косвенно (ухудшая  качество природной среды) уничтожая  многие виды животных и растений, может полностью подорвать стабильность  биосферы.

 Рассматривая типы экосистем,  отметим, что они могут быть  естественными (природными) и антропогенными (от греческого слова антропос  — человек и генезис — происхождение), созданными человеком.

 Естественные (природные) —  тундра, болота, степи, леса, луга  альпийские, пресноводные водоемы,  моря, экосистемы подземных вод,  экосистемы высокогорных ледников, экосистемы океанических глубин. Естественные экосистемы, как правило,  формируются под влиянием природных  факторов, хотя человек может  оказывать влияние на них.

 Антропогенные экосистемы: сельскохозяйственные  экосистемы, лесные, садовые культуры, морские "огороды", экосистемы  биологических очистных сооружений, города и промышленные предприятия,  рыборазводные пруды, культуры  дождевого червя, плантации шампиньонов.  Все они создаются человеком  в процессе хозяйственной деятельности.

  Автотрофные экосистемы находятся на энергетическом самообеспечении и разделяются на фотоавтотрофные — потребляющие солнечную энергию за счет продуцентов — фотоавтотрофов, и хемоавтотрофные — использующие химическую энергию за счет продуцентов — хемоавтотрофов.

  Большинство сельскохозяйственных экосистем являются фотоавтотрофными. Но человек вносит в сельскохозяйственную экосистему энергию, которая называется антропогенной (удобрения, химические препараты, горючее и т. д.), но она незначительна по сравнению с солнечной.

  Гетеротрофные экосистемы используют химическую энергию, которую получают вместе с углеродом от органических веществ или от созданных человеком энергетических устройств. Примером гетеротрофной экосистемы являются океанические глубины. Животные и микроорганизмы, живущие там, существуют за счет "питательного дождя" детрита — трупов животных и останков растительных организмов, падающих на дно океана из освещенной солнцем автотрофной океанической экосистемы.

  Антропогенные и гетеротрофные экосистемы очень разнообразны. Так, например, в города и промышленные предприятия энергия поступает по линиям электропередач, нефтепроводам, уголь, лес — по железной дороге и водным путем. Поступают в города также и продукты питания для горожан. Это происходит при антропогенной системе, созданной трудом человека.

 Антропогенная система - система, созданная человеком для прохождения биологических процессов при определенных искусственно созданных условиях, когда может вырабатываться энергия. Примерами гетеротрофной антропогенной экосистемы могут служить биологические очистные сооружения, в которых микроорганизмы разлагают органические вещества с выделением определенной энергии; установки по сбраживанию навоза для получения из него биогаза, заводы по производству органических удобрений в биоферментаторах с получением дополнительной тепловой энергии; фабрики по разведению дождевых червей. Последние при определенных условиях перерабатывают органическое вещество (навоз, опилки, солому) и дают биомассу, которая используется для откорма рыб и птицы.

 Таким образом, биосфера представляет  собой единство всех экосистем  на Земле, где все они взаимосвязаны.  В биосфере происходит круговорот  материи через цепи питания.  Изменение или разрушение этих  циклов, вызванные деятельностью  человека, могут отразиться на глобальных циклах в биосфере. Примеры: огромное количество выбрасываемых в атмосферу газов ТЭЦ, заводов, фабрик, автотранспорта оказывает влияние на изменение климата на земном шаре; не меньшую опасность вызывают изделия, где применяют фреон. Последний разрушает молекулы озонового слоя; полеты сверхзвуковых самолетов также разрушают озоновый слой.

Вывод проделанной работы

 Таким образом, устройство природы следует рассматривать как системное целое, состоящее из вложенных одна в другую экосистем, высшей из которых является уникальная глобальная экосистема - биосфера. В ее рамках происходит обмен энергией и веществом между всеми живыми и неживыми составляющими в масштабах планеты. Грозящая всему человечеству катастрофа состоит в том, что нарушен один из признаков, которым должна обладать экосистема: биосфера как экосистема деятельностью человека выведена из состояния устойчивости. В силу своих масштабов и многообразия взаимосвязей она не должна от этого погибнуть, она перейдет в новое устойчивое состояние, изменив при этом свою структуру, прежде всего неживую, а вслед за ней неизбежно и живую. Человек как биологический вид меньше других имеет шанс приспособиться к новым быстро изменяющимся внешним условиям и скорее всего исчезнет первым. Поучительным и наглядным тому примером является история острова Пасхи.   На одном из полинезийских островов, носящем название острова Пасхи, в результате сложных миграционных процессов в VII веке возникла замкнутая изолированная от всего мира цивилизация. В благоприятном субтропическом климате она за сотни лет существования достигла известных высот развития, создав самобытную культуру и письменность, до наших дней не поддающуюся расшифровке. А в XVII веке она без остатка погибла, уничтожив вначале растительный и животный мир острова, а затем погубив себя в прогрессирующей дикости и каннибализме. У последних островитян не осталось уже воли и материала, чтобы построить спасительные "ноевы ковчеги" - лодки или плоты. В память о себе исчезнувшее сообщество оставило полупустынный остров с гигантскими каменными фигурами - свидетелями былого могущества. Экосистема является важнейшей структурной единицей устройства окружающего мира.