Семинар 5экология сообществ и экосистем
Цель - изучить состав и функциональную структуру экосистемы.Знать пищевые цепи и трофические уровни условия стабилизации иразвития экосистемы.
Основной объект экологии - это экологическая система, илиэкосистема, - пространственно определенная совокупность живыхорганизмов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическими и информационными взаимодействиями.
Термин "экосистема" введен в экологию английским ботаникомА.Тенсли (1935). Понятие экосистемы не ограничивается какими-топризнаками ранга, размера, сложности или происхождения. Поэтому оноприложимо как к относительно простым искусственным (аквариум,теплица, пшеничное поле, обитаемый космический корабль), так и ксложным естественным комплекса организмов и среды их обитания (озеро,лес, океан, экосфера). Различают водные и наземные экосистемы. В однойприродной зоне встречается множество сходных экосистем - или слитых воднородные комплексы, или разделенных другими экосистемами.Например, участки лиственных лесов, перемежающиеся хвойными лесами,или болота среди лесов и т.п. В каждой локальной наземной экосистемеесть абиотический компонент - биотоп, или экотоп, - участок содинаковыми ландшафтными, климатическими, почвенными условиями ибиотический компонент - сообщество, или биоценоз, - совокупность всехживых организмов, населяющих данный биотоп. Биотоп является общимместообитанием для всех членов сообщества. Биоценозы состоят ихпредставителей многих видов растений, животных и микроорганизмов.Практически каждый вид в биоценозе представлен многими особямиразного пола и возраста. Они образуют популяцию (или часть популяции)данного вида в экосистеме.
Члены сообщества так тесно взаимодействуют со средой обитания,что биоценоз часто трудно рассматривать отдельно от биотопа. Например,
участок земли - это не просто "место" , но и множество почвенныхорганизмов и продуктов жизнедеятельности растений и животных.Поэтому их объединяют под названием биогеоценоза:биотоп + биоценоз = биогеоценоз
Биогеоценоз - это элементарная наземная экосистема, главная формасуществования природных экосистем. Понятие биогеоценоза ввелН.В.Сукачев (1942). Для большинства биогеоценозов определяющейхарактеристикой является определенный тип растительного покрова, покоторому судят о принадлежности однородных биогеоценозов к данномуэкологическому сообществу (сообщества березового леса, мангровойзаросли, ковыльной степи, сфагнового болота и т.п.) (рис. 4).
Рис. 4. Схема биогеоценоза (по Сукачеву В.И.)
1. Состав и функциональная структура экосистемы
Каждая экосистема имеет энергетическую и определеннуюфункциональную структуру. В каждую экосистему входят группыорганизмов разных видов, различаемых по способу питания - автотрофыи гетеротрофы (рис. 5).
Рис. 5. Упрощенная схема переноса веществ и энергии в экосистеме:Перенос веществ перенос энергии сток энергии в среду.
Автотрофы (самопитающие) - организмы, образующиеорганическое вещество своего тела из неорганических веществ - диоксидауглерода и воды - посредством процессов фотосинтеза и хемосинтеза.Фотосинтез осуществляют фотоавтотрофы - все хлорофиллоносные(зеленые) растения и микроорганизмы. Хемосинтез наблюдается унекоторых хемоавтотрофных бактерий, которые используют в качествеисточника энергии окисление водорода, серы, сероводорода, аммиака,железа. Хемоавтотрофы в природных экосистемах играют относительнонебольшую роль, за исключением чрезвычайно важныхнитрифицирующих бактерий.
Автотрофы составляют основную массу всех живых существ иполностью отвечают за образование всего нового органического веществав любой экосистеме, т.е. являются производителями продукции -продуцентами экосистем.
Гетеротрофы (питающиеся другими) - организмы, потребляющиеготовое органическое вещество другим организмов и продуктов ихжизнедеятельности. Это все животные, грибы и большая часть бактерий. Унекоторых групп бактерий, как и у большинства растений-паразитов инасекомоядных растений совмещаются автотрофные и гетеротрофныефункции. В отличие от автотрофов-продуцентов гетеротрофы выступают
как потребители и деструкторы (разрушители) органических веществ. Взависимости от источников питания и участия в деструкции они такжеподразделяются на несколько категорий: консументы, детритофаги иредуценты.
Консументы - потребители органического вещества живыхорганизмов. К их числу относятся:
растительноядные животные (фитофаги), питающиеся живымирастениями (тля, кузнечик, гусь, овца, олень, слон);
плотоядные животные (зоофаги), поедающие других животных, -различные хищники (хищные насекомые, насекомоядные и хищные птицы,хищные рептилии и звери), нападающие не только на фитофагов, но и надругих хищников (хищники второго, третьего порядков);
паразиты, живущие за счет веществ организма-хозяина; это уже нетолько животные (черви, насекомые, клещи), но и различныемикроорганизмы (бактерии, простейшие), а также некоторые грибы ирастения;
симбиотрофы - бактерии, грибы, простейшие, которые, питаясьсоками или выделениями организма-хозяина, выполняют вместе с этим ижизненно важные для него трофические функции; это мицелиальныегрибы - микоризы, участвующие в корневом питании многих растений;клубеньковые бактерии бобовых, связывающие молекулярный азот;микробиальное население сложных желудков жвачных животных,повышающее переваримость и усвоение поедаемой растительной пищи.Существует немало животных со смешанным питанием, потребляющих ирастительную, и животную пищу.
Детритофаги, или сапрофаги, - организмы, питающиеся мертвыморганическим веществом - остатками растений и животных. Эторазличные, гнилостные бактерии, грибы, черви, личинки насекомых, жуки-копрофаги и другие животные - все они выполняют функцию очищенияэкосистем. Детритофаги участвуют в образовании почвы, торфа, донныхотложений водоемов.
Редуценты - бактерии и низшие грибы - завершают деструктивнуюработу консументов и сапрофагов, доводя разложение органики до ееполной минерализации и возвращая в среду экосистемы последние порциидвуокиси углерода, воды и минеральных элементов.
Все названные группы организмов в любой экосистеме тесновзаимодействуют между собой, согласуя потоки вещества и энергии. Ихсовместное функционирование не только поддерживает структуру ицелостность биоценоза, но и оказывает существенное влияние наабиотические компоненты биотопа, обусловливая самоочищениеэкосистемы, ее среды. Это особенно хорошо проявляется в водныхэкосистемах, где существуют группы организмов-фильтратов.
Важной характеристикой экосистем является разнообразие видовогосостава. При этом выявляется ряд закономерностей:
чем разнообразнее условия биотопов в пределах экосистемы, тембольше видов содержит соответствующий биоценоз;
чем больше видов содержит экосистема, тем меньше особейнасчитывают соответствующие видовые популяции. В биоценозахтропических лесов при большом видовом разнообразии популяцииотносительно малочисленны. Напротив, в системах с малым видовымразнообразием (биоценозы пустынь, сухих степей, тундры) некоторыепопуляции достигают большой численности;
чем больше разнообразие биоценоза, тем больше экологическаяустойчивость экосистемы; биоценозы с малым разнообразием подверженыбольшим колебаниям численности доминирующих видов;
эксплуатируемые человеком системы, представленные одним илиочень малым числом видов (агроценозы с земледельческимимонокультурами), неустойчивы по своей природе и не могутсамоподдерживаться;
никакая часть экосистемы не может существовать без другой. Еслипо какой-либо причине происходит нарушение структуры экосистемы,исчезает группа организмов, вид, то по закону цепных реакций можетсильно измениться или даже разрушиться все сообщество. Но часто бываетИ так, что через какое-то время после исчезновения одного вида на егоместе оказываются другие организмы, другой вид, но выполняющиесходную функцию в экосистеме. Эта закономерность называется правиломзамещения, или дублирования: у каждого вида в экосистеме есть "дублер".Такую роль обычно выполняют виды менее специализированные и в то же время экологически более гибкие, адаптивные. Так, копытных в степяхзамещают грызуны; на мелководных озерах и болотах аистов и цапельзамещают кулики и т.п. При этом решающую роль играет несистематическое положение, а близость экологических функций группорганизмов.