Экологические системы

Биогеоценоз. Из курсов ботаники и зоологии вы знаете, что в природе виды растений и животных распределяются не случайно, а всегда образуют определенные, сравнительно постоянные комплексы – природные сообщества. Такие комплексы взаимосвязанных видов (популяций разных видов), обитающих на определенной территории с более или менее однородными условиями существования, образуют биогеоценоз.

Биогеоценоз неразрывно связан с факторами неживой природы (почва, влажность, температура и др.), образуя вместе с ними устойчивую систему, между компонентами которой протекает круговорот веществ. Саморегуляция проявляется в том, что численность особей каждого вида поддерживается на определенном, относительно постоянном уровне. Такую устойчивую саморегулирующуюся систему академик В. Н. Сукачев и назвал биогеоценозом. В научной литературе подобные системы часто называют экологическими системами (экосистемами).

Основу связей между популяциями биогеоценоза обусловливает характер питания особей и способы получения ими энергии.

Все организмы по способу питания разделяются на две группы – автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы (преимущественно растения) для синтеза органических веществ используют неорганические соединения окружающей среды. Гетеротрофы (животные, человек, грибы, бактерии) питаются готовыми органическими веществами, которые синтезировали автотрофы. В любом биогеоценозе очень скоро иссякли бы все запасы неорганических соединений, если бы они не возобновлялись в процессе жизнедеятельности организмов. В результате дыхания, разложения трупов животных и растительных остатков органические вещества превращаются в неорганические соединения, которые возвращаются снова в природную среду и могут опять использоваться автотрофами.

Таким образом, в биогеоценозе в результате жизнедеятельности организмов непрерывно осуществляется поток атомов из неживой природы в живую и обратно, замыкаясь в круговорот. Для круговорота веществ необходим приток энергии извне. Источником энергии служит Солнце. Движение вещества, вызванное деятельностью организмов, происходит циклически, оно может быть использовано многократно, в то время как поток энергии в этом процессе имеет однонаправленный характер. Энергия излучения Солнца а биогеоценозе преобразуется в различные формы: в энергию химических связей, в механическую и, наконец, во внутреннюю.

Круговорот веществ в биогеоценозе – необходимое условие существования жизни. Он возник в процессе становления жизни и усложнялся в ходе эволюции живой природы. С другой стороны, чтобы в биогеоценозе был возможен круговорот веществ, необходимо наличие в экосистеме организмов, создающих органические вещества из неорганических и преобразующие энергию излучения Солнца, а также организмов, которые используют эти органические вещества и снова превращают их в неорганические соединения.

Основу подавляющего большинства биогеоценоза составляют зеленые растения – производители органического вещества (продуценты). В биогеоценозе обязательно присутствуют растительноядные и плотоядные животные-- потребители живого органического вещества (консументы) и, наконец, разрушители органических остатков – преимущественно микроорганизмы, которые доводят распад органических веществ до простых минеральных соединений (редуценты). В биогеоценозе каждая из этих трех главных групп образована многими видами.

Существуют, однако, биогеоценозы, не включающие автотрофных растений, например экосистемы больших глубин океана или пещер. Но во всех биогеоценозах подобного типа обязателен приток энергии извне в форме органических веществ, которые как бы заменяют энергию Солнца, аккумулируемую в результате фотосинтеза растениями.
Для характеристики биогеоценоза и происходящих в нем процессов необходимо знать основные показатели:

видовое разнообразие – число видов растений и животных, образующих данный биогеоценоз;

плотность популяции – количество особей данного вида на единице площади или в единице объема (например, для планктона);

биомасса – общее количество органического вещества всей совокупности особей с заключенной в нем энергией. Биомассу обычно выражают в единицах массы в пересчете на сухое вещество на единицу площади или объема.

Пищевые связи. Каждый вид использует лишь часть содержащейся в органическом веществе энергии. Непригодные для данного вида, но еще богатые энергией вещества используют другие организмы. Таким образом, в процессе эволюции в биогеоценозах сложились цепи взаимосвязанных видов, последовательно извлекающих материалы и энергию из исходного пищевого вещества. Такие связи между особями видов называются пищевыми.

Примеры пищевых цепей можно видеть всюду. Самый простой пример: травоядные животные поедают растения, а выделениями животных и их трупами питаются различные навозные и трупоядные насекомые и гнилостные бактерии. Но в естественной обстановке цепи состоят из большего числа звеньев, так как в них включаются плотоядные животные хищники и паразиты. Органические остатки образуются в результате жизнедеятельности всех членов цепи [36].

Схема пищевой цепи
Рис. 36. Схема пищевой цепи

Биогеоценозы очень сложны. В них всегда имеется много параллельных и сложно переплетенных цепей питания, а общее число видов часто измеряется сотнями и даже тысячами. Почти всегда разные виды питаются несколькими разными объектами и сами служат пищей нескольким членам экосистемы. В результате получается сложная сеть пищевых связей.

Потери энергии в цепях питания. Все виды, образующие пищевую цепь, существуют за счет органического вещества, созданного зелеными растениями. При этом действует важная закономерность, связанная с эффективностью использования и превращения энергии в процессе питания. Сущность ее заключается в следующем.

Суммарно лишь около 1% лучистой энергии Солнца, падающей на растение, превращается в потенциальную энергию химических связей синтезированных органических веществ и может быть использовано в дальнейшем гетеротрофными организмами при питании. Когда животное поедает растение, большая часть энергии, содержащейся в пище, расходуется на различные процессы жизнедеятельности, превращаясь при этом в тепло и рассеиваясь. Только 5-20% энергии пищи переходит во вновь построенное вещество тела животного. Если хищник поедает травоядное животное, то снова теряется большая часть заключенной в пище энергии. Вследствие таких больших потерь полезной энергии пищевые цепи не могут быть очень длинными: обычно они состоят не более чем из 3-5 звеньев (пищевых уровней).

Всегда количество растительного вещества, служащего основой цепи питания, в несколько раз больше, чем общая масса растительноядных животных, а масса каждого из последующих звеньев пищевой цепи также уменьшается [37]. Эту очень важную закономерность называют правилом экологической пирамиды.

Экологическая пирамида
Рис. 37. Упрощенная экологическая пирамида чисел

1. Дайте характеристику биогеоценоза. Приведите примеры. 2. Почему круговорот веществ в биогеоценозе составляет основу жизни? 3. Какие связи называют пищевыми? Приведите примеры пищевых связей в биогеоценозе. 4. Какая экологическая закономерность, связанная с использованием и превращением энергии, проявляется в цепях питания?