Понятие об экосистемах.

Одно из основных понятий экологии.

Любую совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ, называют экосистемой. Термин был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тенсли, который подчеркивал, что при таком подходе неорганические и органические факторы выступают как равноправные компоненты и мы не можем отделить организмы от конкретной окружающей их среды. А. Тенсли рассматривал экосистемы как основные единицы природы на поверхности Земли, хотя они и не имеют определенного объема и могут охватывать пространство любой протяженности.



 1.    Живые организмы, взаимно дополняя и обеспечивая жизнедеятельность друг друга, образуют устойчивые сообщества, а в комплексе со средой обитания - устойчивую систему, которая получила название экосистема¹ (oikos - жилище,местопребывание).

Итак, Экосисте́ма или экологи́ческая систе́ма  — биологическая система, состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними.
      Океан, море, река, тундра, тайга, пустыня, лес, лужа, гнилое дерево - все это экосистемы.
      В комлексе все экосистемы Земли составляют единую глобальную экосистему - биосферу²(bios - жизнь и sphaira - шар) .
      Экосистемы образовались в процессе длительной эволюции. Это сложный и устойчивый природный механизм, способный путем саморегуляции противостоять изменениям среды и численности.
      В процессе эволюции в природных экосистемах сформировалось большое разнообразие видов. Структурная единица вида - популяция³ (populus - население) - сохраняет определенные численность и пространство, а также воспроизводит себя в течение многих поколений.
      Экосистема - понятие очень широкое и применимое как к естественным (например,тундра,океан), так и к искусственным комплексам (например,аквариум). Поэтому для обозначения элементарной природной экосистемы экологи также используют термин "биогеоценоз ⁴".
      Биогеоценоз - исторически сложившаяся совокупность живых организмов(биоценоз⁵) и абиотической среды  (Абиотическая среда - неживое физическое и химическое окружение живых организмов. Абиотическую среду составляют природные условия, происхождение которых непосредственно не связано с жизнедеятельностью живущих организмов. )
 вместе с занимаемым ими участком земной поверхности(биотопом). Граница биогеоценоза устанавливается по границе растительного сообщества(фитоценоза) - важнейшего компонента биогеоценоза.


2.Биоценоз

      Биоценоз - сложная природная система. Весь комплекс совместно живущих и связанных друг с другом видов называют биоценозом ("биос" - жизнь,"ценос" - сообщество).
      В природе биоценозы бывают разного масштаба. Мы можем выделить биоценоз моховой кочки, разрушающегося пня, луга, болота, леса. Можем создать рукотворный биоценоз - аквариума, террариума, теплицы, оранжереи. Во всех случаях мы выделяем такое сообщество организмов, в котором совместно живущие виды оказываются приспособленными к определенному комплексу абиотических условий и поддерживают свое существование через связи друг с другом.
      Любой биоценоз - это сложная природная система, которая поддерживается за счет связей между видами и имеет сложную внутреннюю структуру.

Структура биоценоза

      Помимо разнообразия видового состава биогеоценозы характеризуются сложной структурой. Рассмотрим биоценоз лиственного леса. Растения в лесу различаются по высоте их наземных частей. В связи с этим в растительных сообществах выделяют несколько "этажей", или ярусов.
Первый ярус - древесный - составляют самые светолюбивые виды - дуб, липа.
Второй ярус включает менее светолюбивые и более низкорослые деревья - грушу, клен, яблоню.
Третий ярус состоит из кустарников - лещины, бересклета и др.
Четвертый ярус - травянистый.
Такими же "этажами" распределены в почве и корни растений. Ярусность позволяет растениям лучше использовать солнечный свет и минеральные запасы почвы.


3.Биотоп

      Природное жизненное пространство, занимаемое сообществом, называется биотопом (от греческих слов биос - жизнь, топос - место). Биотоп вместе с сообществом образуют экосистему, в которой длительное время поддерживаются устойчивые взаимодействия между элементами живой и неживой природы. Биотоп- это участок территории, однородный по условиям жизни для определённых видов растений или животных, или же для формирования определённого биоценоза.

4.Элементы экосистемы

Неживые (абиотические) элементы экосистемы включают полезные ископаемые, климат, почву, воду, солнечный свет, и все прочие подобные элементы; биотические элементы состоят из всех живых организмов экосистемы. Эти элементы объединяют две главные силы: поток энергии и круговорот питательных веществ. Фундаментальный источник энергии почти во всех экосистемах – световая и тепловая энергия Солнца; энергия и органика передаются по пищевой цепи экосистемы.

5. Все экосистемы можно разделить по рангам:
   
   1) микроэкосистемы (лужа, гниющий пень, разлагающийся труп и т.п.);
   
   2) мезоэкосистемы (лес, озеро, река, небольшой остров и т.п.);
   
   3) макроэкосистемы (море, океан, континент, большой остров и т.п.);
   
   4) глобальная экосистема (биосфера).

Пример экосистемы — пруд с обитающими в нём растениями,рыбами, беспозвоночными животными, микроорганизмами, составляющими живую компоненту системы, биоценоз. Для пруда как экосистемы характерны донные отложения определенного состава, химический состав (ионный состав,концентрация растворенных газов) и физические параметры (прозрачность воды, тренд годичных изменений температуры), а также определённые показатели биологической продуктивности, трофический(пищевой) статус водоема и специфические условия данного водоёма. Другой пример экологической системы — лиственный лес в средней полосе России с определённого состава лесной подстилкой, характерной для этого типа лесов почвой и устойчивым растительныйм сообществом, и, как следствие, со строго определёнными показателями микроклимата (температуры, влажности, освещённости) и соответствующим таким условиям среды комплексом животных организмов.
6
.
Принципы функционирования экосистем.

Первый признак функционирования экосистем:

Получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов.

Этот принцип гармонирует с законом сохранения массы. Поскольку атомы не возникают, не исчезают и не превращаются один в другой, они могут использоваться бесконечно в самых различных соединениях и запас их практически неограничен. Именно это и происходит в природных экосистемах.
Очень важно подчеркнуть, однако, что биологический круговорот не совершается исключительно за счет вещества, поскольку он - результат деятельности организмов, для обеспечения жизнедеятельности которых требуются постоянные энергетические затраты, поставляемые Солнцем. Энергия солнечных лучей, поглощаемая зелеными растениями, в отличие от химических элементов, не может использоваться организмами бесконечно. Данное заключение вытекает из второго закона термодинамики: энергия при превращении из одной формы в другую, то есть при совершении работы, частично переходит в тепловую форму и рассеивается в окружающей среде.
Следовательно, каждый цикл круговорота, зависящий от активности организмов и сопровождаемый потерями энергии из них, требует все новых поступлений энергии.
Итак, существование экосистем любого ранга и вообще жизни на Земле обусловлено постоянным круговоротом веществ, который, в свою очередь, поддерживается постоянным притоком солнечной энергии. В этом состоит второй основной принцип функционирования экосистем:

Экосистемы существуют за счет не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.

  



7.
Пищевые цепи и сети, трофические уровни. Трофическая структура и экологические пирамиды. Энергетические потоки экосистемы.
Жизнь на Земле существует за счет солнечной энергии. Свет — единственный на Земле пищевой ресурс, энергия которого, в соединении с углекислым газом и водой, рождает процесс фотосинтеза. Фотосинтезирующие растения создают органическое вещество, которым питаются травоядные животные, ими питаются плотоядные и т. д., в конечном итоге растения «кормят» весь остальной живой мир, т. е. солнечная энергия через растения как бы передается всем организмам.
Энергия передается от организма к организму, создающих пищевую, или трофическую цепь-
Пищевая цепь - это механизм передачи энергии через ряд организмов, в котором каждый последующий питается предыдущим, поставляющим ему энергию и сырье. Место каждого звена в цепи –называется  трофическим уровнем. Пищевые цепи: пастбищные (цепи выедания), паразитные, детритные(питание органическими остатками мертвых растений и животных). Трофическая сеть –это совокупность 3-х пищевых цепей. Внутри каждой ЭС(экосистемы) трофические сети имеют хорошо выраженную структуру, которая характеризуется природой и количеством организмов, представленных на каждом уровне различных пищевых цепей.

Организмы первого трофического уровня называются первичными продуцентами(создатели). На суше большую часть продуцентов составляют растения лесов и лугов; в воде это, в основном, зелёные водоросли. Кроме того, производить органические вещества могут синезелёные водоросли и некоторые бактерии.

Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами(пожиратели), третьего трофического уровня – вторичными консументами и т. д. Первичные консументы – это травоядные животные (многие насекомые, птицы и звери на суше, моллюски и ракообразные в воде) и паразиты растений (например, паразитирующие грибы). Вторичные консументы – это плотоядные организмы: хищники либо паразиты. В типичных пищевых цепях хищники оказываются крупнее на каждом уровне, а паразиты – мельче.

Существует ещё одна группа организмов, называемых редуцентами . Это сапрофиты (обычно, бактерии и грибы), питающиеся органическими остатками мёртвых растений и животных (детритом). Детритом могут также питаться животные – детритофаги, ускоряя процесс разложения остатков. Детритофагов, в свою очередь, могут поедать хищники. В отличие от пастбищных пищевых цепей, начинающихся с первичных продуцентов (то есть с живого органического вещества), детритные пищевые цепи начинаются с детрита (то есть с мёртвой органики).

Пища, поглощаемая консументом, усваивается не полностью — от 12 до 20% у некоторых растительноядных, до 75% и более у плотоядных. Энергетические затраты связаны прежде всего с поддержанием метаболических процессов, которые называют тратой на дыхание, оцениваемая общим количеством С02, выделенного организмом. Значительно меньшая часть идет на образование тканей и некоторого запаса питательных веществ, т. е. на рост. Остальная часть пищи выделяется в виде экскрементов. Кроме того, значительная часть энергии рассеивается в виде тепла при химических реакциях в организме и особенно при активной мышечной работе. В конечном итоге вся энергия, использованная на метаболизм, превращается в тепловую и рассеивается в окружающей среде.
Таким образом, большая часть энергии при переходе с одного трофического уровня на другой, более высокий, теряется. Приблизительно потери составляют около 90%: на каждый следующий уровень передается не более 10% энергии от предыдущего уровня. Следовательно энергия должна возобновляться.

Итак, входя в экосистему, поток энергии разбивается на две части, распространяясь по двум видам трофических сетей, но источник энергии общий — солнечный свет. ((В соперничестве с другими экосистемами выживает (сохраняется) та из них, которая наилучшим образом способствует поступлению энергии и использует максимальное ее количество наиболее эффективным способом.))

Экологические пирамиды.

 Экологические пирамиды - графическое изображение взаимоотношений между организмами в ЭС, выражающее трофическую структуру ЭС в геометрической форме; высота пропорциональна длине рассматриваемой пищевой цепи, то есть числу содержащихся в ней трофических уровней, а форма отражает эффективность превращения энергии при переходе с одного уровня на другой. Существуют пирамиды численности, биомассы и энергии.
Основой для построения экологических пирамид служат - Трофические сети.

Простейшими из них являются пирамиды численности, которые отражают количество организмов (отдельных особей) на каждом трофическом уровне. Для удобства анализа эти количества отображаются прямоугольниками, длина которых пропорциональна количеству организмов, обитающих в изучаемой экосистеме, (либо логарифму этого количества). Часто пирамиды численности строят в расчёте на единицу площади (в наземных экосистемах) или объёма (в водных экосистемах).
правило пирамиды чисел:

Общее число особей, которые участвуют в цепях питания, с каждым последующим звеном уменьшается.

Это обусловлено тем, что хищники обычно крупнее жертв - объектов своего питания и для поддержания биомассы одного хищника нужно несколько или много жертв.
В пирамидах численности дерево и колосок учитываются одинаково, несмотря на их различную массу. Поэтому более удобно использовать пирамиды биомассы, которые рассчитываются не по количеству особей на каждом трофическом уровне, а по их суммарной массе. Построение пирамид биомассы – более сложный и длительный процесс.

правило пирамиды биомассы:
На каждом предыдущем трофическом уровне количество биомассы, создаваемой за единицу времени, больше, чем на последующем.
Например, масса всех трав, выросших за год в степи, значительно больше, чем годовой прирост всех растительноядных животных, а прирост хищников меньше, чем растительноядных животных.
(Графически это правило изображают в виде пирамид, сужающихся кверху и образованных поставленными друг на друга прямоугольниками разной высоты. Длина этих прямоугольников соответствует масштабам продукции на соответствующих трофических уровнях.)
Пирамиды биомассы не отражают энергетической значимости организмов и не учитывают скорость потребления биомассы. Поэтому существует построение наиболее сложных пирамид – пирамид энергии. Они показывают количество энергии, прошедшее через каждый трофический уровень экосистемы за определённый промежуток времени (например, за год – чтобы учесть сезонные колебания). В основание пирамиды энергии часто добавляют прямоугольник, показывающий приток солнечной энергии. Пирамиды энергии позволяют сравнивать энергетическую значимость популяций внутри экосистемы. (Так, доля энергии, проходящей через почвенных бактерий, несмотря на их ничтожную биомассу, может составлять десятки процентов от общего потока энергии, проходящего через первичных консументов.)
правило пирамиды энергии:
Поток энергии, выражающийся количеством ассимилированного вещества по цепи питания, на каждом трофическом уровне уменьшается или:
Р. Линдеман в 1942 г. впервые сформулировал закон пирамиды энергий, который в учебниках нередко называют «законом 10%». Согласно этому закону с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой ее уровень в среднем не более 10% энергии.
Последующим гетеротрофам передается только 10—20% исходной энергии.

(((Используя закон пирамиды энергий, нетрудно подсчитать, что количество энергии, доходящее до третичных плотоядных (V трофический уровень), составляет около 0,0001 энергии, поглощенной продуцентами. Отсюда следует, что передача энергии с одного уровня на другой происходит с очень малым КПД. Это объясняет ограниченное количество звеньев в пищевой цепи независимо от того или иного биоценоза.))



((Органическое вещество, производимое автотрофами, называется первичной продукцией . Скорость накопления энергии первичными продуцентами называется валовой первичной продуктивностью, а скорость накопления органических веществ – чистой первичной продуктивностью. ВПП примерно на 20 % выше, чем ЧПП, так как часть энергии растения тратят на дыхание. Всего растения усваивают около процента солнечной энергии, поглощённой ими.

При поедании одних организмов другими вещество и пища переходят на следующий трофический уровень. Количество органического вещества, накопленного гетеротрофами, называется вторичной продукцией. Поскольку гетеротрофы дышат и выделяют непереваренные остатки, в каждом звене часть энергии теряется. Это накладывает существенное ограничение на длину пищевых цепей; количество звеньев в них редко бывает больше 6. Отметим, что эффективность переноса энергии от одних организмов к другим значительно выше, чем эффективность производства первичной продукции. Средняя эффективность переноса энергии от растения к животному составляет около 10 %, а от животного к животному – 20 %. Обычно растительная пища энергетически менее ценна, так как в ней содержится большое количество целлюлозы и древесины, не перевариваемых большинством животных.

Изучение продуктивности экосистем важно для их рационального использования. Эффективность экосистем может быть повышена за счёт повышения урожайности, уменьшения помех со стороны других организмов (например, сорняков по отношению к сельскохозяйственным культурам), использования культур, более приспобленных к условиям данной экосистемы. По отношению к животным необходимо знать максимальный уровень добычи (то есть количество особей, которые можно изъять из популяции за определённый промежуток времени без ущерба для её дальнейшей продуктивности.))
Экология (от др.-греч. οἶκος — обиталище, жилище, дом, имущество и λόγος — понятие, учение, наука) — наука об отношениях живых организмов и их сообществ между собой и с окружающей средой