Экосистемы - совокупности организмов и неживых компонентов, взаимодействующих совместно и связанных потоками вещества и энергии.

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).

В составе любой экосистемы обычно выделяют два блока: биоценоз и экотоп. Биоценоз состоит из взаимосвязанных организмов разных видов, которые входят в него не отдельными особями, а популяциями. Частный случай биоценоза - сообщество, оно может объединять только часть видов биоценоза (например, растительное сообщество). Под экотопом понимают среду обитания данного биоценоза. Это может быть территория данного биогеоценоза, характеризующаяся определенным составом слагающих ее геологических пород. Поваленное дерево, дающее жизнь разного рода деструкторам (насекомым, грибам, микробам и прочим организмам, разрушающим органику вплоть до минерального состояния) также является экотопом существующей на его базе экосистемы.

Особенности экосистем

  1. 1. Тесная взаимосвязь и взаимозависимость всех звеньев как биотических (живых), так и абиотических (неживых). Корректировки связей приводят к возвращению в исходное состояние или к гибели.
  2. 2. Сильные положительные и отрицательные обратные связи.

Пример положительной обратной связи - заболачивание территории после вырубки леса. Это ведет к уплотнению почвы, следовательно, к накоплению воды и росту растений-влагонакопителей, что приводит к обеднению ее кислородом, а значит, к замедлению разложения растительных остатков, накоплению торфа и дальнейшему усилению заболачивания.

Пример отрицательной (стабилизирующей) обратной связи - взаимоотношение между хищником и жертвой, например между рысями и зайцами: рост количества зайцев способствует росту численности рысей, но чрезмерное количество рысей сокращает поголовье зайцев, после чего численность рыси также сокращается. В естественных условиях данная система достаточно быстро стабилизируется.

  1. 3. Явно выраженная эмерджентность – качество, свойство системы, которые не присущи ее элементам в отдельности, а возникают благодаря объединению этих элементов в систему.

Например, редкий древостой еще не составляет леса, так как не создает определенной среды: почвенной, гидрологической, метеорологической и т.д.

Эмерджентность повышает устойчивость экосистемы и ее способность к саморегулированию. Деятельность человека приводит к нарушению прямых и обратных связей в экосистемах.

Например, умеренное загрязнение водоемов органикой приводит к интенсификации размножения микроорганизмов, что приводит к самоочищению водоема. Неумеренное загрязнение, называемое эвтрофикацией, ведет к чрезмерному размножению организмов, активно разлагающих органическое вещество, что рано или поздно приводит к обеднению данного водоема кислородом, а значит, к угнетению и гибели этих организмов, разрушению связей, изменению системы и переходу ее на новый вид связей, обычно это заболачивание.

Обычно экосистемы для повышения устойчивости нуждаются в случайных стрессовых воздействиях типа бурь, пожаров и т.п. Но хронические стрессы малой интенсивности, характерные для антропогенного воздействия на природу, не дают явных реакций, поэтому их последствия оценить очень трудно, но они могут оказаться гибельными для экосистемы.

Природные и антропогенные экосистемы

Природные экосистемы (биомы). В зависимости от природных и климатических условий можно выделить три группы и ряд типов природных экосистем (биомов).

Наземные экосистемы:
1.    Тундра: арктическая и альпийская.
2.    Бореальные хвойные леса.
3.    Листопадный лес умеренной зоны.
4.    Степь умеренной зоны.
5.    Тропические злаковники и саванна.
6.    Чапарраль (районы с дождливой зимой и засушливым летом).
7.    Пустыня: травянистая и кустарниковая.
8.    Полувечнозеленый тропический лес (районы с выраженными влажным и сухим сезонами).
9.    Вечнозеленый тропический дождевой лес.

Пресноводные экосистемы:
1.    Лентические (стоячие воды): озера, пруды, водохранилища и др.
2.    Лотические (текучие воды): реки, ручьи, родники и др.
3.    Заболоченные угодья: болота, болотистые леса, марши (приморские луга).

Морские экосистемы:
1.    Открытый океан (пелагическая экосистема).
2.    Воды континентального шельфа (прибрежные воды).
3.    Районы апвеллинга (плодородные районы с продуктивным рыболовством).
4.    Эстуарии (прибрежные бухты, проливы, устья рек, лиманы, соленые марши и др.).
5.    Глубоководные рифтовые зоны.

Помимо основных типов природных экосистем (биомов) различают переходные типы - экотоны. Например, лесотундра, смешанные леса умеренной зоны, лесостепь, полупустыни и др.

Антропогенные экосистемы. Агроэкосистемы (сельскохозяйственные экосистемы. агроценозы) - искусственные экосистемы, возникающие в результате сельскохозяйственной    деятельности человека (пашни, сенокосы, пастбища). Агроэкосистемы создаются человеком для получения высокой чистой продукции автотрофов (урожая). В них, так же, как в естественных сообществах, имеются продуценты (культурные растения и сорняки), консументы (насекомые, птицы, мыши и т.д.) и редуценты (грибы и бактерии). Обязательным звеном пищевых цепей в агроэкосистемах является человек.

Отличия агроценозов от естественных биоценозов:
•    незначительное видовое разнообразие (агроценоз состоит из небольшого числа видов, имеющих высокую численность);
•    короткие цепи питания;
•    неполный круговорот веществ (часть питательных элементов выносится с урожаем);
•    источником энергии является не только солнце, но и деятельность человека (мелиорация, орошение, применение удобрений);
•    искусственный отбор (действие естественного отбора ослаблено, отбор осуществляет человек);
•    отсутствие саморегуляции (регуляцию осуществляет человек) и др.

Таким образом, агроценозы являются неустойчивыми системами и способны существовать только при поддержке человека. Урбосистемы (урбанистические системы)   -    искусственные системы (экосистемы), возникающие в результате развития городов, и представляющие собой средоточие населения, жилых зданий, промышленных, бытовых, культурных объектов и т.д.

Абиотические компоненты экосистемы включают различные физические (солнечный свет, тень, испарение, ветер, температура, водные течения.) и химические факторы (макроэлементы -С, О, Н, N, P, S, Ca, Mg, K, Na, и микроэлементы - Fe ,Cu, Zn, Cl).

Биотические компоненты экосистемы подразделяются по способу питания на продуцентов (организмы, производящие органические соединения из неорганических (зеленые растения) -создают органические вещества в процессе фотосинтеза), консументов (организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию, питаясь живыми организмами - продуцентами или другими консументами. Консументы подразделяются на: фитофаги – 1-го порядка, питающиеся исключительно живыми растениями; хищники (плотоядные) –2-го порядка, которые питаются исключительно фитофагами, 3-го порядка, питающиеся только плотоядными животными; эврифаги, которые могут поедать как растительную, так и животную пищу,  и редуцентов (организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию питаясь останками мертвых организмов). Редуценты подразделяются на: детритофаги – напрямую потребляют мертвые организмы или органические остатки. и деструкторы – разлагают мертвую органическую материю на простые неорганические соединения (процесс гниения и разложения).

 

Биосфера

Под биосферой понимают  сферу единства живого и неживого, все пространство литосферы, гидросферы и атмосферы, где существует или когда-либо существовала жизнь, то есть где встречаются организмы или продукты их жизнедеятельности и которое обладает свойствами усложнения структуры и концентрации энергии и  обладает механизмами, обеспечивающими круговорот веществ. Свойство саморегуляции (гомеостаза) биосферы - способность гасить возникающие возмущения и приходить в исходное состояние включением ряда механизмов. Механизмы, обеспечивающие круговорот веществ, гарантируют неисчерпаемость отдельных химических соединений в биосфере. При отсутствии круговорота, например, за короткое время был бы исчерпан весь углерод. Только благодаря круговоротам обеспечивается непрерывность процессов. Ограниченные количества живой материи воссоздаются, преобразуются и разлагаются. Ежегодно, благодаря жизнедеятельности растений и животных, воспроизводится около 10% биомассы.

 

Основные свойства биосферы

Центральное звено биосферы - все живые организмы (живое вещество), в том числе и человек, существование биосферы немыслимо без поступления энергии извне, прежде всего от Солнца.

В состав биосферы входят верхние слои литосферы, нижний слой атмосферы (тропосфера) и вся гидросфера, связанные между собой сложными круговоротами веществ и энергии.

Нижний предел жизни на Земле (3 км) ограничен высокой температурой земных недр, верхний предел (20 км) – жёстким излучением ультрафиолетовых лучей (всё, что находится ниже, защищено озоновым слоем). Тем не менее, на границах биосферы можно найти только микроорганизмы, наибольшая концентрация биомассы наблюдается у поверхности суши и океана, в местах соприкосновения оболочек. Организмы, составляющие биосферу, обладают способностью к размножению и распространению по планете.

Совокупная биомасса Земли составляет около 0,01% массы всей биосферы. 97 % из этого количества занимают растения, 3% – животные. Биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2% представлена зелеными растениями и 0,8% - животными и микроорганизмами. Напротив, в океане на долю растений приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов - 93,7% всей биомассы. Суммарная биомасса океана составляет всего 0,13% биомассы всех существ, обитающих на Земле.

Выделяют несколько уровней организации живой материи:

  • Молекулярный. Любая живая система проявляется на уровне взаимодействия биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, полисахаридов, а также других важных органических веществ.
  • Клеточный. Клетка - структурная и функциональная единица размножения и развития всех живых организмов, обитающих на Земле. Неклеточных форм жизни нет, а существование вирусов лишь подтверждает это правило, т.к. они могут проявлять свойства живых систем только в клетках.
  • Организменный. Организм представляет собой целостную одноклеточную или многоклеточную живую систему, способную к самостоятельному существованию. Многоклеточный организм образован совокупностью тканей и органов, специализированных для выполнения различных функций.
  • Популяционно-видовой. Под видом понимают совокупность особей, сходных по структурно-функциональной организации, имеющих одинаковый кариотип и единое происхождение и занимающих определенный ареал обитания, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство, характеризующихся сходным поведением и определенными взаимоотношениями с другими видами и факторами неживой природы.
  • Совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим местом обитания, создает популяцию как систему надорганизменного порядка. В этой системе осуществляются простейшие, элементарные эволюционные преобразования.
  • Биогеоценотический. Биогеоценоз - сообщество, совокупность организмов разных видов и различной сложности организации со всеми факторами конкретной среды их обитания - компонентами атмосферы, гидросферы и литосферы.
  • Биосферный. Биосфера - самый высокий уровень организации жизни на нашей планете. В ней выделяют живое вещество - совокупность всех живых организмов, неживое или косное вещество и биокосное вещество (почва).

В организмах содержатся все известные сегодня химические элементы.

 

Понятие о популяции

Популяция-совокупностьособей одного вида, способных к самовоспроизводству, которая длительно существует в определенной части ареала относительно обособленно от других популяций того же вида. Контакты между особями одной популяции чаще, чем между особями разных популяций. Например, уровень панлшксии (свободного скрещивания) внутри популяции выше, чем между особями разных популяций. Популяция является структурной единицей вида и единицей эволюции.

Ареал. Пространство, на котором популяция или вид в целом встречается в течении всей своей жизнедеятельности, называется ареалом - областью распространения.
Популяции, будучи групповыми объединениями,    обладают    рядом специфических свойств, которые нс присущи каждой отдельной особи. Количественные показатели (характеристики) популяции можно разделить на статические и динамические. Статические показатели характеризуют состояние популяции на данный момент времени. Основные из них: численность, плотность, а также показатели структуры. Динамические показатели популяции отражают процессы, протекающие в популяции за определенный промежуток времени. Основные из них: рождаемость, смертность, скорость роста популяции.

 

Статические показатели популяции

Численность - число особей в популяции. Численность популяции может значительно изменяться во времени. Она зависит от биотического потенциала вида и внешних условий.

Плотность - число особей или биомасса популяции, приходящаяся на единицу площади или объема.

Популяция характеризуется определенной структурной организацией - соотношением групп особей по полу, возрасту, размеру, генотипу, распределением особей по территории и т.д. В связи с этим выделяют различные структуры популяции: половую, возрастную, размерную, генетическую, пространственно-этологическую и др.

Половая структура (половой состав) - соотношение особей мужского и женского пола в популяции. Половая структура свойственна только популяциям раздельнополых организмов. Различают первичное, вторичное и третичное соотношения. Первичное соотношение - соотношение, наблюдаемое при формировании половых клеток (гамет). Обычно оно равно 1:1. Такое соотношение обусловлено генетическим механизмом определения пола. Вторичное соотношение - соотношение, наблюдаемое при рождении. Третичное соотношение - соотношение, наблюдаемое у взрослых половозрелых особей.

Возрастная структура (возрастной состав) - соотношение в популяции особей разных возрастных групп. Возрастной состав определяется рядом свойств и особенностей вида: время достижения половой зрелости, продолжительность жизни, длительность периода размножения, смертность и др.

В зависимости от способности особей к размножению различают три группы: предрепродуктивную (особи еще не способные размножаться), репродуктивную (особи способные   размножаться)    и пострепродуктивную    (особи уже    не способные размножаться).

Пространствен н о-этологи чес кая структура - характер распределения особей в пределах ареала. Она зависит от особенностей окружающей среды и этологии (особенностей поведения) вида. Различают три основных типа распределения особей в пространстве: равномерное (регулярное), неравномерное (агрегированное, групповое, мозаичное) и случайное (диффузное).

 

Динамические показатели популяции

Рождаемость (скорость рождаемости)    -    число новых особей, появившихся в популяции за единицу времени в результате размножения.
Смертность (скорость смертности)    -    число особей, погибших в популяции за единицу времени (от хищников, болезней, старости и других причин). Смертность - величина обратная рождаемости.

Скорость роста популяции - изменение численности популяции в единицу времени. Скорость роста популяции может быть положительной, нулевой и отрицательной. Она зависит от показателей рождаемости, смертности и миграции (вселения иммиграции и выселения - эмиграции). Увеличение (прибыль) численности происходит в результате рождаемости и иммиграции особей, а уменьшение (убыль) численности - в результате, смертности и эмиграции особей.

 

Регуляция численности популяции

Гомеостаз популяции - поддержание определенной численности (плотности). Изменение численности зависит от целого ряда факторов среды - абиотических, биотических и антропогенных. Однако всегда можно выделить ключевой фактор, наиболее сильно влияющий на рождаемость, смертность, миграцию особей и т.д.

Понимание механизмов регуляции численности популяций чрезвычайно важно для возможности управления этими процессами. Деятельность человека часто
сопровождается сокращением численности популяций многих видов. Причины этого в чрезмерном истреблении особей, ухудшении условий жизни вследствие загрязнения окружающей среды, беспокойства животных, особенно в период размножения, сокращение ареала и т.д. В природе нет и не может быть «хороших» и «плохих» видов, все они необходимы для ее нормального развития. В настоящее время остро стоит вопрос сохранения биологического разнообразия. Сокращение генофонда живой природы может привести к трагическим последствиям. Международный союз охраны природы и природных ресурсов (МСОП) издает «Красную книгу», где регистрирует следующие виды:    исчезающие, редкие, сокращающиеся, неопределенные и «черный список» безвозвратно исчезнувших видов.

В целях сохранения видов человек использует различные способы регулирования численности популяции:    правильное ведение охотничьего хозяйства и промыслов (установление сроков и угодий охоты и отлова рыбы), запрещение охоты на некоторые виды животных, регулирование вырубки леса и др.

В то же время деятельность человека создает условия для появления новых форм организмов или развития старых видов, к сожалению, часто вредных для человека: болезнетворных микроорганизмов, вредителей сельскохозяйственных культур и т.д.