Структура экосистем

Различают два вида пищевых цепей. Цепи выедания (или пастбищные) - пищевые цепи, начинающиеся с живых фотосинтезирующихся организмов. Например, фитопланктон→зоопланктон→рыбы микрофаги→рыбы макрофаги→птицы ихтиофаги. Цепи размножения (или детритные) - пищевые цепи, начинающиеся с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных. Например, детрит→детритофаги→ хищники микрофаги→хищники макрофаги. Таким образом, поток энергии, проходящий через экосистему, разбивается как бы на два направления. Энергия к консументам поступает через живые ткани растений или через запасы мертвого органического вещества. Цепи выедания преобладают в водных экосистемах, цепи разложения - в экосистемах суши.

В сообществах  пищевые цепи сложным образом  переплетаются и образуют пищевые сети. В состав пищи каждого вида входит обычно не один, а несколько видов, каждый из которых в свою очередь может служить пищей нескольким видам. С одно стороны, каждый трофический уровень представлен многими популяциями разных видов, с другой стороны, многие популяции принадлежат сразу к нескольким трофическим уровням. В результате благодаря сложности пищевых связей выпадение какого-то одного вида часто не нарушает равновесия в экосистеме.   

1.1 Экосистемы и принципы  их функционирования

Живые организмы в биоценозах тесно  связаны не только друг с другом, но и с неживой природой через вещество и энергию. Протекающие через живые организмы потоки вещества и энергии в процессе обмена веществ весьма велики. Человек, например, за свою жизнь потребляет десятки тонн пищи и воды, тысячи кубометров воздуха.

Чрезвычайно высокая интенсивность потоков вещества из неорганической природы в живые тела давно привела бы к полному исчерпанию запасов необходимых для жизни соединений, т. е. биогенных элементов. Но и этого не происходит, и жизнь не прекращается, так как указанные элементы постоянно возвращаются в окружающую среду. И происходит это благодаря биоценозам, в которых в результате пищевых отношений между видами синтезированные растениями сложные органические вещества превращаются в конце концов в такие простые соединения, как диоксид углерода, вода, ряд элементов, которые могут быть снова использованы растениями в процессе фотосинтеза. Так возникает биологический процесс вещества. Следовательно, биоценоз, будучи и сам по себе сложной системой живых организмов, является частью еще более сложной системы. В последнюю помимо живых организмов входит и их неживое окружение, которое содержит различные вещества и энергию, необходимые для развития и обеспечения жизнедеятельности.

Любую совокупность организмов и неорганических компонентов окружающей их среды, в которой может осуществляться круговорот веществ, называют экологической системой, или экосистемой.

Любая экосистема, независимо от размера, включает в себя живую часть (биоценоз) и  ее физическое, т. е. неживое, окружение. При этом малые экосистемы входят в состав все более крупных, вплоть до глобальной экосистемы Земля. Аналогично общий биологический круговорот вещества на планете также складывается из взаимодействия множества более мелких, частных круговоротов.

Отметим, что понятия "экосистема" (термин предложен А. Тенсли в 1935 г.) и "биогеоценоз" близки по сути. первое из них приложимо для обозначения систем, обеспечивающих круговорот любого ранга, а "биогеоценоз" - понятие территориальное, относящееся к таким участкам суши, которые заняты фитоценозами. Концепция экосистем и биогеоценозов, дополняя и обогащая друг друга, позволяют рассматривать функциональные связи сообществ и окружающей их абиотической среды в разных аспектах и с разных точек. Экосистема может обеспечить круговорот веществ только в том случае, если включает четыре необходимые для этого части: 1) запасы биогенных элементов; 2) продуценты; 3) консументы; 4) редуценты.

На их сложном и постоянном взаимодействии основан первый (основной) принцип функционирования экосистем: получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов.

Данный  принцип гармонирует с законом  сохранения массы. Так как атомы  не возникают, не исчезают и не превращаются один в другой, они могут использоваться бесконечно в самых различных химических соединениях и запас их практически неограничен. Именно это и происходит в природных экосистемах.

Необходимо  подчеркнуть, однако, что биологический  круговорот не совершается исключительно  за счет вещества, поскольку он - результат  деятельности организмов, для обеспечения жизнедеятельности которых требуют постоянные энергетические затраты, поставляемые Солнцем. Энергия солнечных лучей, поглощаемая зелеными растениями, в отличие от химических элементов, не может использоваться организмами бесконечно. Данное заключение вытекает из второго закона термодинамики: энергия при превращении из одной формы в другую, т. е. при совершении работы, частично переходит в тепловую форму и рассеивается в окружающей среде.

Следовательно, каждый цикл круговорота, зависящий от активности организмов и сопровождаемый потерями энергии из них, требует все новых дотаций энергии. Существование экосистем любого ранга и вообще жизни на Земле обусловлено постоянным круговоротом веществ, который в свою очередь поддерживается постоянным притоком солнечной энергии. В этом состоит второй основной принцип функционирования экосистем: они существуют за счет не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно избыточно.  

1.2 Природные экосистемы

В зависимости  от природных и климатических  условий можно выделить три группы и ряд природных экосистем. В  основе квалификации для наземных экосистем  лежит тип естественной (исходной) и растительности, для водных экосистем - гидрологические и физические особенности.

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. Чапараль (районы с дождливой зимой и  засушливым летом);

7. Пустыня:  травянистая и кустарниковая;

8. Полувечнозеленый  тропический лес (районы с выраженным  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.

Характеристика  наземных экосистем

Размещение  по земной поверхности основных наземных биомов определяют два абиотических фактора - температура и количество осадков. Климат в разных районах земного шара неодинаков. Годовая сумма осадков меняется от 0до 2500мм и более. При этом они выпадают равномерно в течении года или их основная доля приходится на определенный период - влажный сезон. Среднегодовая температура также варьируется от отрицательных величин до 38° C. Температуры могут быть практически постоянными в течении всего года (у экватора) или меняться постоянно.

Тундры (в северном полушарии к северу от тайги). Климат очень холодный с полярным днем и ночью, среднегодовая температура ниже 0° C. За несколько недель короткого лета земля оттаивает не более чем на один метр в глубину. Осадков менее 200-300 мм в год. Растительность: отсутствуют деревья, господствуют медленно растущие лишайники, мхи, травы (злаки и осоки), стелющиеся или карликовые кустарнички (брусника, черника) и кустарники (карликовая береза). Животный мир небогат, встречаются крупные травоядные копытные - северный олень (Евразия) и карибу (Северная Америка), мелкие роющие млекопитающие (лемминги), хищники (песец, горностай, ласка). Среди птиц преобладают полярная сова, ржанка, пуночка. Среди насекомых обильны двукрылые. Почвы тундровые - бедные с малой мощностью над слоем вечной мерзлоты. Очень ранимые экосистемы из-за медленного их восстановления.

Бореальные  хвойные леса (тайга) (северные районы Евразии и Северной Америки). Климат: долгая и холодная зима, много осадков выпадает в виде снега. Растительность: господствуют вечнозеленые хвойные леса (ель, пихта, сибирская кедровая сосна, сосна обыкновенная, лиственницы) с мощной лесной подстилкой. Животный мир: крупные травоядные копытные (лось), мелкие растительноядные млекопитающие (барсук, белка, бурундук), хищники (медведь, рысь, росомаха, соболь, лисица, волк, норка), обилен гнус. Характерно множество болот и озер. Почвы подзолистые, дерново-подзолистые, мерзлотно-таежные - маломощные и бедные.

Листопадные леса умеренной зоны (широколиственные леса)

(Западная  Европа, Восточная Азия, восток США).Климат сезонный с зимними температурами ниже ° C, осадков 750 - 1500 мм в год. Растительность: господствуют широколиственные листопадные породы деревьев (дуб, бук, клен, липа, ясень, граб), кустарниковый подлесок, мощная лесная подстилка. Животный мир: Млекопитающие (лоси, медведи, рыси, лисицы, волки, белки, землеройки), птицы (дятлы, дрозды, совы, соколы). Биота адаптирована к сезонному климату: спячка, миграции, состояние покоя в зимние месяцы. Почвы бурые и серые лесные. В этих районах человеческая цивилизация получила наибольшее развитие, поэтому большая часть широколиственных лесов заменена культурными сообществами.

Степи умеренной зоны (в Евразии) и их аналоги: прерии (в Северной Америки), пампасы (в Южной Америки), туссоки (в Новой Зеландии). Климат сезонный, лето от умеренного теплого до жаркого, зимние температуры ниже ° C, осадков 250-750 мм в год. Растительность: господствуют дерновинные злаки. Животный мир: крупные растительноядные млекопитающие - бизоны, вилорогие антилопы, сайгаки и др.; мелкие роющие млекопитающие (суслики, сурки, кролики, полевки), хищники (волки, львы, гиены и др.), разнообразные птицы. Почвы: черноземы и каштановые. Большая часть степей используется в настоящее время под пашню, пастбища, сенокосы и т. д.

Чапарраль (Средиземноморье, южный берег Австралии, в Калифорнии, Мексике и Грузии). Климат мягкий умеренный, осадков 500-700 мм. Растительность: деревья и кустарники с жесткими вечнозелеными листьями (лавр, дуб, дикая фисташка и др.) Почвы коричневые и серо-коричневые.

Тропический грасленд и саванны (Центральная и Восточная Африка, Южная Америка, Австралия, значительная часть Южной Индии). Климат сухой и жаркий большую часть года, температура высокая круглый год, осадков 250-750 мм в год, распределяются неравномерно по сезонам. Растительность: травянистая растительность (злаковые) с редкими листопадными деревьями (баобабы, акации, пальмы). Животный мир: крупные растительноядные млекопитающие (антилопы, зебры, жирафы, носороги, слоны), хищники (львы, леопарды, гепарды), птицы (африканский страус, грифы). Много кровососущих насекомых, например, муха цеце. Почвы красные ферраллитные, красно-бурые и коричнево-красные. На распаханных землях выращивают злаковые, хлопчатник, арахис, сахарный тростник.

Пустыни травянистая и  кустарниковая  (некоторые районы Африки, Большой Бассейн и юго-запад США, север Мексики и др.). Климат очень сухой, с жарким днем и холодными ночами, осадков менее 200-250 мм в год. Растительность: ксерофитные травы и редкостойный кустарник, кактусы. Корневые системы у растений обширные, поверхностные, перехватывающие влагу редких осадков или стержневые корни, проникающие в землю до уровня грунтовых вод (30 м и глубже). Животный мир: разнообразные грызуны (тушканчики, суслики), копытные (вилорогая антилопа и др.), хищники (волк, койот и др.) Из птиц саджа, рябки, жаворонки. Почвы светло-бурые, сероземы, такыры. Экосистемы хрупкие, легко нарушаются в результате перевыпаса ветровой и водной эрозии.

Полувечнозеленые  сезонные листопадные  тропические леса (тропическая часть Азии, Центральная Америка). Климат со сменой сухого (4-6 месяцев)и влажного сезонов, среднегодовое количество осадков 800-1300 мм в год. Растительность: господствуют леса. Животный мир: практически также богат, как в вечнозеленых тропических дождевых лесах. Характерны слоны, жирафы, буйволы. Почвы красные ферраллитные.

Вечнозеленые  тропические дождевые леса (север Южной Америки, Центральная Америка, западная и центральная часть экваториальной Африки, Юго-Восточная Азия, прибрежные районы северо-запада Австралии, острова Индийского и Тихого океанов). Климат без смены сезонов в связи с близостью к экватору, среднегодовая температура выше 17° C, среднегодовое количество осадков превышает 2000-2500 мм в год. Растительность. Деревья разной высоты образуют густой полог из многих ярусов (10-12 ярусов). Видовое разнообразие растений огромно. Животный мир видовой состав богаче, чем во всех биомах вместе взятых: Млекопитающие (обезьяны, ленивцы, ягуары), птицы (попугаи, колибри, туканы). Почвы красно-желтые ферраллитные - маломощные и бедные органическим веществом и минеральными элементами питания растений.