Естествознание
10 класс

§ 35. Принципы организации экосистем

Природа — это неустанное спряжение
глаголов «есть» и «быть поедаемым».
Уильям Индж

Из каких основных компонентов состоят экосистемы? Что такое трофические цепи и трофические сети? Какова трофическая структура экосистемы?

Урок-лекция

ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЭКОСИСТЕМЫ. Экосистемы представляют собой элементарную функциональную единицу живой природы, в которой осуществляются взаимодействия между всеми ее компонентами, происходит круговорот веществ и энергии. В состав экосистемы входят неорганические вещества (вода, углекислый газ, соединения азота и др.), которые включаются в круговорот, и органические соединения (белки, углеводы, жиры и др.), связывающие биотическую (живую) и абиотическую (неживую или косную) ее части. Для каждой экосистемы характерна определенная среда (воздушная, водная, наземная), включающая климатический режим и определенный набор параметров физической среды (температура, влажность и т. п.). По роли, которую выполняют организмы в экосистеме, их подразделяют на три группы:

  • продуценты — автотрофные организмы, главным образом зеленые растения, которые способны создавать органические вещества из неорганических;
  • консументы — гетеротрофные организмы, преимущественно животные, которые питаются другими организмами или частичками органического вещества;
  • редуценты — гетеротрофные организмы, преимущественно бактерии и грибы, обеспечивающие разложение органических соединений.

Окружающая среда и живые организмы взаимосвязаны процессами циркуляции вещества и энергии.

Продуценты улавливают солнечный свет и переводят его энергию в энергию химических связей синтезируемых ими органических соединений. Консументы, поедая продуцентов, используют высвобождающуюся при расщеплении этих химических связей энергию для построения своего собственного тела. Редуценты ведут себя аналогичным образом, но в качестве источника пищи используют либо мертвые тела, либо продукты, выделяющиеся в процессе жизнедеятельности организмов. При этом редуценты разлагают сложные органические молекулы до простых неорганических соединений — углекислого газа, оксидов азота, воды, солей аммония и т. д. В результате они возвращают в окружающую среду вещества, изъятые из нее растениями, и эти вещества могут вновь утилизироваться продуцентами. Цикл замыкается. Надо заметить, что все живые существа в определенной степени являются редуцентами. В процессе метаболизма они извлекают необходимую им энергию при расщеплении органических соединений, выделяя в качестве конечных продуктов углекислый газ и воду.

В экосистемах живые компоненты выстраиваются в цепочки — пищевые или трофические цепи, в которых каждое предыдущее звено служит пищей для последующего. В основании трофической цепи находятся продуценты, которые из неорганического вещества и энергии света создают живое вещество — первичную биомассу. Второе звено составляют потребляющие эту первичную биомассу животные фитофаги — это консументы первого порядка. Они, в свою очередь, служат пищей для организмов, составляющих следующий трофический уровень, — консументов второго порядка. Далее идут консументы третьего порядка и т. д. Приведем пример простой цепи:

А вот пример более сложной цепи:

Далеко не все организмы, составляющие разные трофические уровни, оказываются съеденными, а консументы самого высокого порядка (медведи, львы, орлы и др.) вообще не имеют врагов (конечно, кроме человека). Значительная часть организмов гибнет в силу естественной смертности, от болезней, паразитов, природных катастроф и т. п. Поэтому в пищевые цепочки на всех уровнях, начиная со второго, включаются редуценты, которые питаются мертвым органическим веществом.

В естественных экосистемах пищевые цепи не изолированы одна от другой, а тесно переплетены. Они формируют пищевые сети, принцип образования которых заключается в том, что каждый продуцент может служить пищей не одному, а многим животным-фитофагам, которые, в свою очередь, могут быть съедены разными видами консументов второго порядка и т. д. (рис. 49).

Рис. 49. Пищевая сеть сельди

Пищевые сети составляют каркас экосистем, и нарушения в них могут приводить к непредсказуемым последствиям. Особенно ранимыми оказываются экосистемы с относительно простыми пищевыми цепями, т. е. те, в которых круг объектов питания конкретного вида узок (например, многие экосистемы Арктики). Выпадение одного из звеньев может повлечь за собой распад всей трофической сети и деградацию экосистемы в целом.

ТРОФИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ЭКОСИСТЕМЫ И ЭНЕРГЕТИКА. Зеленые растения улавливают 1—2% попадающей на них энергии Солнца, преобразуя ее в энергию химических связей. Консументы I порядка усваивают около 10% всей энергии, заключенной в съеденных ими растениях. На каждом последующем уровне теряется 10—20% энергии предыдущего. Подобная закономерность находится в полном соответствии со вторым законом термодинамики. Согласно этому закону при любых трансформациях энергии значительная ее часть рассеивается в виде недоступной для использования тепловой энергии. Таким образом, энергия быстро убывает в пищевых цепях, что ограничивает их длину. С этим связано и уменьшение на каждом последующем уровне численности и биомассы (количество живого вещества, выраженное в единицах массы или калориях) живых организмов. Однако это правило, как мы увидим ниже, имеет ряд исключений.

В основе устойчивости каждой экосистемы лежит определенная трофическая структура, которая может быть выражена в виде пирамид численности, биомассы и энергии. При их построении значения соответствующего параметра для каждого трофического уровня изображают в виде прямоугольников, поставленных друг на друга.

Форма пирамид численности (рис. 50) в значительной степени зависит от размера организмов на каждом трофическом уровне, особенно продуцентов. Например, численность деревьев в лесу значительно ниже, чем травы на лугу.

Начиная с консументов I порядка более или менее соблюдается правило, согласно которому размеры живых существ увеличиваются на каждом последующем трофическом уровне. Хотя и здесь есть исключения: стая волков может загнать оленя или лося — добычу, значительно более крупную, чем каждый волк в отдельности.

Пирамиды биомассы лучше отражают реальную структуру экосистемы. Если размеры живых существ на разных трофических уровнях не слишком различаются, то можно получить ступенчатую пирамиду (см. рис. 50). Однако в экосистемах с очень мелкими продуцентами (фитопланктон) и крупными консументами общая масса последних будет выше, и мы получим обращенную пирамиду. Такая картина типична для большинства морских и пресноводных экосистем.

Рис. 50. Экологические пирамиды

Пирамиды энергии дают наиболее полное представление о функциональной организации экосистемы. Число и масса организмов на каждом трофическом уровне зависят от обилия пищи на предыдущем уровне в данный момент времени. Поэтому пирамиды численности и биомассы отражают статику экосистемы, т. е. характеризуют число организмов на момент исследования. Пирамида же энергии отражает скорость прохождения пищи через трофическую цепь. Каждая ее ступенька символизирует количество энергии (в пересчете на единицу площади или объема), прошедшей через определенный трофический уровень за определенный период. Поэтому на форму пирамиды энергии не влияют изменения размеров, численности и биомассы. Она всегда имеет форму треугольника с вершиной, обращенной вверх, что связано с потерей энергии при переходе с одного трофического уровня на другой (см. рис. 50).

Изучение трофической структуры экосистем, особенно законов превращения энергии, имеет первостепенное значение для познания механизмов, которые лежат в основе обеспечения их стабильности. Без этого невозможно правильно рассчитать допустимые пределы воздействия на окружающую среду, выход за рамки которых принесет ей непоправимый ущерб.

Трофические связи между организмами формируют основу экосистемы. В любой экосистеме непременно присутствуют первичные производители органического вещества — продуценты, и организмы, это вещество потребляющие и перерабатывающие, — консументы и редуценты. Эти основные компоненты экосистемы формируют трофические цепи и сети, через которые проходит поток вещества и энергии. В соответствии со вторым законом термодинамики на каждом трофическом уровне происходит существенная потеря энергии в виде тепла, что ограничивает длину трофических цепей. Экосистема функционирует как единая, развивающаяся система, обладающая саморегуляцией.

  • Объясните, почему возможно выделить общие компоненты в любой экосистеме.
  • Что составляет основу взаимодействия компонентов экосистемы?
  • Какое значение для устойчивости экосистемы имеет многообразие ее компонентов?

Рейтинг@Mail.ru