Экологическая система

   Экологическая система

   1. Основные характеристики экологической системы.

   Экологическая система (биогеоценоз) - единый природный или природно-антропогенный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, в котором живые и косные экологические компоненты соединены между собой причинно-следственными связями, обменом веществ и распределением потока энергии. Различают: микроэкосистемы, обычно составляющие индивидуальные консорции; мезоэкосистемы; макроэкосистемы.

   Биогеоценоз (В. Н. Сукачёв, 1944) — взаимообусловленный комплекс живых и косных компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергии.

   В экологическую систему входят (то есть неживые) иногда абиотические компоненты биогеоценоза называют биотопом, а биотические – биоценозом. относящуюся к абиотическим компонентам, нередко рассматривают как отдельную структурную единицу экосистемы. Биотопы объединяются в биохоры, а последние – в биоциклы. Так, биотопы каменистых, глинистых и песчаных пустынь объединяются в биохор пустынь; биохоры пустынь, лесов и степей объединяются в биоцикл суши. Три биоцикла: суша, море и внутренние водоёмы образуют

   Одним из важнейших экологических понятий  является поток энергии.

   Важнейшими  составляющими абиотического компонента экосистемы помимо почв являются климатические  и топографические факторы. Кроме  того, в абиотический компонент может  входить наличие волн, гейзеров, вулканов и прочие экзотические факторы. Абиотический компонент – динамическая система. Циклические процессы перемещения и превращения веществ называются круговоротами веществ.

   Внутри  экологической системы органические вещества создаются автотрофными организмами (например, растениями). Растения поедают  животные, которых, в свою очередь, поедают  другие животные. Такая последовательность называется пищевой цепью; каждое звено пищевой цепи называется трофическим уровнем. Организмы (особенно, хищники) могут питаться самыми разными организмами, даже из различных пищевых цепей. Таким образом, пищевые цепи переплетаются, образуя пищевые сети. Пищевые сети служат основой для построения экологических пирамид.

   2. Структура экосистем

     Для того чтобы экосистемы  функционировали (существовали) неограниченно  долго и как единое целое,  они должны обладать свойствами  связывания и высвобождения энергии,  а также круговоротом веществ.  Экосистема, кроме этого, должна  иметь механизмы, позволяющие  противостоять внешним воздействиям (возмущениям, помехам), гасить их. Для раскрытия этих механизмов  познакомимся с различными видами  структур и другими характеристиками (свойствами) экосистем.

   Блоковая модель экосистемы. Любая экосистема состоит из двух блоков. Один из них представлен комплексом взаимосвязанных живых организмов - биоценозом, а второй - факторами среды - биотопом или экотопом. В таком случае можно записать: экосистема = биоценоз + биотоп (экотоп).

   Биогеоценозы  и экосистемы могут различаться  и по временному фактору (продолжительности  существования). Любой биогеоценоз  потенциально бессмертен, поскольку  все время пополняется энергией за счет деятельности растительных фото- или хемосинтезирующих организмов. В то же время экосистемы без растительного  звена заканчивают свое существование  одновременно с высвобождением в  процессе разложения субстрата всей содержащейся в нем энергии.

   Видовая структура экосистемы - понимается количество видов, образующих экосистему, и соотношение их численностей. Точных данных о количестве видов в экосистемах нет. Это связано с тем, что трудно учесть видовое разнообразие всех мелких организмов (особенно микроорганизмов). Оно исчисляется сотнями и десятками сотен. Видовое разнообразие обычно тем значительнее, чем богаче условия (биотоп) экосистемы. В этом отношении самыми богатыми по видовому разнообразию являются, например, экосистемы дождевых тропических лесов. Только древесные виды исчисляются в них сотнями.

   Трофическая (функциональная) структура экосистем - Цепи питания. Любая экосистема включает несколько трофических (пищевых) уровней или звеньев. Первый уровень представлен растениями. Их называют автотрофами (греч. аутос - сам; трофо - пища) или продуцентами (лат. продуцена - создающий). Второй и последующие уровни представлены животными - их называют гетеротрофами (греч. геторос - другой) или консумен-тами. Последний уровень в основном представлен микроорганизмами и грибами, питающимися мертвым веществом - их называют редуцентами (лат. редуцере - возвращать). Они разлагают органическое вещество до исходных минеральных элементов.

   Взаимосвязанный ряд трофических уровней представляет цепь питания, или трофическую цепь. Главное свойство цепи питания - осуществление биологического круговорота веществ и высвобождение запасенной в органическом веществе энергии.

   3. Основные компоненты экосистемы. С точки зрения структуры в экосистеме выделяют:

• климатический режим, определяющий температуру, влажность, режим освещения и прочие физические характеристики среды;
• неорганические вещества, включающиеся в круговорот;
• органические соединения, которые связывают биотическую и абиотическую части в круговороте вещества и энергии;
• продуценты — организмы, создающие первичную продукцию;
• макроконсументы, или фаготрофы, — гетеротрофы, поедающие другие организмы или крупные частицы органического вещества;
• микроконсументы (сапротрофы) — гетеротрофы, в основном грибы и бактерии, которые разрушают мёртвое органическое вещество, минерализуя его, тем самым возвращая в круговорот.

   Последние три компонента формируют биомассу экосистемы.

   С точки зрения функционирования экосистемы выделяют следующие функциональные блоки организмов (помимо автотрофов):

• биофаги — организмы, поедающие других живых организмов,
• сапрофаги — организмы, поедающие мёртвое органическое вещество.

   Данное  разделение показывает временно-функциональную связь в экосистеме, фокусируясь  на разделении во времени образования  органического вещества и перераспределение  его внутри экосистемы (биофаги) и  переработки сапрофагами. Между  отмиранием органического вещества и повторным включением его составляющих в круговорот вещества в экосистеме может пройти существенный промежуток времени, например, в случае соснового  бревна, 100 и более лет.

   Все эти компоненты взаимосвязаны в  пространстве и времени и образуют единую структурно-функциональную систему.

   Экотоп - понимается определённая территория или акватория со всем набором и особенностями почв, грунтов, микроклимата и других факторов в неизменённом организмами виде. Примерами экотопа могут служить наносные грунты, новообразовавшиеся вулканические или коралловые острова, вырытые человеком карьеры и другие, заново образовавшиеся территории. В этом случае климатоп является частью экотопа.

   Климатоп - На данный момент это понятие трактуется как характеристика биогеоценоза, сочетание физических и химических характеристик воздушной или водной среды, существенных для населяющих эту среду организмов. Климатоп задаёт в долговременном масштабе основные физические характеристики существования животных и растений, определяя круг организмов, которые могут существовать в данной экосистеме.

   Эдафотоп – под ним понимается почва, как составной элемент экотопа. Почва является важнейшей составляющей экосистемы: в нём происходит замыкание циклов вещества и энергии, осуществляется перевод из мёртвого органического вещества в минеральные и их вовлечение в живую биомассу.

   Биотоп — преобразованный биотой экотоп или, более точно, участок территории, однородный по условиям жизни для определённых видов растений или животных, или же для формирования определённого биоценоза

   Биоценоз — исторически сложившаяся совокупность растений, животных, микроорганизмов, населяющих участок суши или водоёма (биотоп). Не последнюю роль в формировании биоценоза играет конкуренция и естественный отбор. 

   4. Пространственные границы экосистемы (хорологический аспект)

   В природе не существует чётких границ между различными экосистемами. Всегда можно указать на ту или иную экосистему, но выделить дискретные границы, если они не представлены различными ландшафтными факторами (обрывы, реки, различные склоны холмов, выходы скальных пород и т. п.), не представляется возможным, всегда существуют плавные переходы от одной экосистемы к другой. Это обусловлено относительно плавным изменением градиента факторов среды (влажность, температура, увлажнённость и прочее). Иногда переходы из одной экосистемы в другую могут фактически являться самостоятельной экосистемой. Обычно сообщества, образующиеся на стыке различных экосистем, называются экотонами. Термин «экотон» введён Ф. Клементсом в 1905 году.

   Экотон представляет собой переход между двумя или более различными сообществами, например между лесом и лугом или между мягким и твердым грунтом морских сообществ. Однако, не всегда экотон является местом повышенного биоразнообразия видов. 

   5. Ранги экосистем

   Вопрос  ранжирования экосистем достаточно сложен. Выделение минимальных экосистем (биогеоценозов) и экосистемы наивысшего ранга — биосферы не вызывает сомнений. Промежуточные же выделения довольно сложны, так как сложности хорологического аспекта не всегда однозначно позволяют определить границы экосистем. В геоэкологии (и ландшафтоведении) существует следующее ранжирование: фация — урочище (экосистема) — ландшафт — географический район — географическая область — биом — биосфера. В экологии существует сходное ранжирование, однако, обычно считается, что корректно выделение лишь одной промежуточной экосистемы — биома.

   Биом — крупное системно-географическое (экосистемное) подразделение в пределах природно-климатической зоны (Реймерс Н. Ф.). Согласно Р. Х. Уиттекеру — группа экосистем данного континента, которые имеют сходную структуру или физиономию растительности и общий характер условий среды. Это определение несколько некорректно, так как существует привязка к конкретному континенту, а некоторые биомы присутствуют на разных континентах, например, тундровый биом или степной.

   На  данный момент наиболее общепринятое определение звучит так: «Биом —  совокупность экосистем со сходным  типом растительности, расположенных  в одной природно-климатической  зоне» (Акимова Т. А., Хаскин В. В.).

   Общим в этих определениях является то, что  в любом случае биомом называется совокупность экосистем одной природно-климатической  зоны.

   Выделяют  от 8 до 30 биомов. Географическое распределение биомов определяют:

• Закон географической зональности (сформулированный В. В. Докучаевым)
• Закон секторности

   Биосфера — экосистема высшего порядка, объединяющая все остальные экосистемы и обеспечивающая существование жизни на Земле. В состав биосферы входят следующие «сферы»: атмосфера, гидросфера, литосфера, педосфера.

   Термин биосфера был введён Жаном-Батистом Ламарком в начале XIX века, а в геологии предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году. Однако создание целостного учения о биосфере принадлежит русскому учёному Владимиру Ивановичу Вернадскому. 

   6. Искусственные экосистемы - это экосистемы, созданные человеком, например, агроценозы, природно-хозяйственные системы. (Пашня — типичная искусственная экосистема, неразрывно соседствует с естественным лугом).

   Искусственные экосистемы имеют тот же набор  компонентов, что и естественные: продуценты, консументы и редуценты, но есть существенные отличия в перераспределении  потоков вещества и энергии. В  частности, созданные человеком  экосистемы отличаются от естественных следующим:

• меньшим числом видов и преобладанием организмов одного или неск. видов;
• невысокой устойчивостью и сильной зависимостью от энергии, вносимой в систему человеком;
• короткими цепями питания из-за небольшого числа видов;
• незамкнутым круговоротом веществ вследствие изъятия урожая человеком, тогда как естественные процессы наоборот стремятся включить в круговорот как можно большую часть урожая.

   Без поддержания энергетических потоков  со стороны человека в искусственных  системах с той или иной скоростью  восстанавливаются естественные процессы и формируется естественная структура  компонентов экосистемы и вещественно-энергетических потоков между ними. 

   7. Понятия, сходные с понятием экосистемы, в смежных науках:

   в экогеологии, ландшафтоведении и геоэкологии