Екосистема та її структура - Екологія транспорту

Екосистема - це будь-яка сукупність живих організмів, що взаємодіють, і умов середовища. Термін «екосистема» запровадив англійський фітоценолог А. Тенслі в 1935 р. Екосистемами є, наприклад, ділянка лісу, річка, море, акваріум, кабіна космічного корабля, географічний ландшафт і навіть вся біосфера.

Екологи використовують також термін "біогеоценоз", запропонований радянським ботаніком В. Н. Сукачовим. Цим терміном позначається сукупність рослин, тварин, мікроорганізмів, ґрунту та атмосфери на однорідній ділянці суші. Біогеоценоз є синонімом екосистеми.

Між екосистемами, як і між біогеоценозами, зазвичай немає чітких кордонів, і одна екосистема поступово перетворюється на іншу. Великі екосистеми складаються з менших екосистем.

Найбільшою екосистемою є біосфера – оболонка планети, заселена живими організмами. Товщина біосфери трохи більше 20 км (організми мешкають над поверхнею суші не вище 6 км над рівнем моря, опускаються не глибше 15 км у товщу суші і на 11 км у глиб океану), але основна маса живої речовини сконцентрована в приповерхневому шарі товщиною м - це висота лісового пологу та глибина проникнення основної маси коренів. У цих же межах сконцентровані наземні та ґрунтові тварини та мікроорганізми. В океані найбільш обжиті рослинами і тваринами, що освітлюються сонцем і прогріваються до глибини 10 - 20 м приповерхневі товщі води. У цьому тонкому шарі біосфери сконцентровано понад 90% біомаси рослин та тварин.

Структура екосистеми - природне функціонально-морфологічне розподіл екосистеми на підсистеми і блоки, що грають в екосистемі роль "цеглинок". До структурних елементів входять:

- популяції,
- консорції(сукупність різнорідних організмів, що тісно пов'язані між собою і залежать від центрального члена або ядра спільноти), -
- синузії (одноярусне угруповання рослин у межах фітоценозу; сукупність популяцій тварин і рослин, пов'язаних між собою загальними вимогами до середовища проживання),
- яруси рослинності (розчленованість співтовариства яруси), тобто. структури біоценозу (фітоценозу) та структури біогеоценозу (екосистеми).

Кожна популяція одночасно входить у дві структури: в екологічну піраміду (рослинами харчуються травоїдні, травоїдними – хижаки тощо); у групу екологічно подібних популяцій, що становлять біотичне співтовариство (напр., співтовариство злаків на лузі). Разом зі своїми незмінними супутниками - мікроорганізмами, комахами, грибами - такі спільноти дають збори як би "по горизонталі" (їх називають синузіями; напр., синузія мохів у лісі) і одночасно "по вертикалі", на всю товщину шару життя в середовищі, що населяється. - Це консорції). Додавання синузій (наприклад дерев, чагарників, трав, мохів) і консорцій, що входять до них, дає новий вид парцел - біогеоценотичних.

З екологічного погляду у структурному складі екосистеми виділено такі компоненти:

1) неорганічні речовини (С, N, CO2, H2O та ін), що включаються в круговороти;
2) органічні сполуки (білки, вуглеводи, ліпіди, гумусові речовини тощо), що зв'язують біотичну та абіотичну частини;
3) повітряне, водне та субстратне середовище, що включає кліматичний режим та інші фізичні фактори;
4)продуценти, автотрофні організми, переважно зелені рослини, які можуть виробляти їжу з простих неорганічних речовин;
5)макроконсументи, або фаготрофи (від грец. phagos - пожирач), -гетеротрофні організми, переважно тварини, які харчуються іншими організмами або частинками органічної речовини;
6) мікроконсументи, сапротрофи (від грец. sapros - гнилий), деструктори, або оглядофи (від грец. розчиненої органічної речовини, що виділяється спонтанно або витягнутого сапротрофами з рослин та інших організмів. Внаслідок діяльності сапротрофів вивільняються неорганічні елементи живлення, придатні для продуцентів; крім того, сапротрофи постачають їжу макроконсументам і часто виділяють гормоноподібні речовини, що інгібують (гальмують) або стимулюють функціонування інших біотичних компонентів екосистеми.

Для функціонування будь-якої екосистеми потрібні такі компоненти: сонячна енергія (та інші види енергії); вода; елементи живлення (основні абіотичні неорганічні та органічні сполуки), що містяться в ґрунтах, донних осадах та воді; автотрофні та гетеротрофні організми, що утворюють біотичні харчові мережі. Функціонування наземних і водних екосистем подібне, але в них входять різні види. Крім того, в екосистемах глибоких водойм зелені рослини представлені дуже дрібними, часто мікроскопічними формами (фітопланктоном), а рослини наземних та деяких мілководних екосистем мають великі розміри.

Одна із загальних рис всіх екосистем, чи то наземні, прісноводні, морські чи штучні екосистеми (наприклад сільськогосподарські), - це взаємодія двох основних компонентів: автотрофного компонента (автотрофний - означає саможивлення), здатного фіксувати світлову енергію і використовувати в їжупрості неорганічні речовини, і гетеротрофного компонента (гетеротрофний - означає, що харчується готовими органічними речовинами), який розкладає, перебудовує та використовує складні речовини, синтезовані автотрофними організмами.

Організми, що у різних процесах круговороту, частково розділені у просторі. Автотрофні процеси найбільше активно протікають у верхньому ярусі ("зеленому поясі"), де доступне сонячне світло. Гетеротрофні процеси найбільш інтенсивно протікають у нижньому ярусі ("коричневому поясі"), де в ґрунтах та опадах накопичуються органічні речовини. Крім того, ці основні функції компонентів екосистеми частково розділені і в часі, оскільки можливий значний розрив тимчасової між продукуванням органічної речовини автотрофними організмами і його споживанням гетеротрофами. Наприклад, основний процес у пологах лісової екосистеми – фотосинтез. Лише частина, причому мала частина, продуктів фотосинтезу негайно і безпосередньо використовується самою рослиною, рослиноїдними тваринами і паразитами, листям, що харчуються, та іншими активно зростаючими тканинами рослини. Більша частина синтезованого матеріалу (листя, деревини, запасів їжі, відкладених у насінні та кореневищах) не піддається негайному споживанню і поступово переходить у підстилку та ґрунт (або відповідно у шари опадів у водних екосистемах), що в сумі складають відокремлену гетеротрофну систему. Перш ніж буде використана вся ця накопичена органічна речовина, можуть пройти багато тижнів, місяців, років або навіть тисячоліття (у разі викопних видів палива, які зараз швидко витрачаються людиною). Органічну речовину, залучену до процесу розкладання, називають детритом. Термін "детрит" (продукт розпаду від латів. deterere - зношуватися)запозичений із геології, де їм зазвичай називають продукти руйнування гірських порід.

Спеціалізація живих форм як виробників та споживачів їжі створює в біологічних співтовариствах певну енергетичну структуру, яка називається трофічною структурою (від грец. trophe - харчування), в межах якої відбуваються перенесення енергії та кругообіги поживних речовин. Перенесення енергії та їжі від її джерела – автотрофів (рослин) – через ряд організмів відбувається по харчовому ланцюгу: шляхом поїдання одних організмів іншими.

Харчовий ланцюг - це ряд видів або їх груп, кожна попередня ланка в якій є їжею для наступного. При кожному черговому перенесенні більшість (80-90 %) потенційної енергії втрачається, переходячи у тепло. Тому що коротше харчова ланцюг (що ближче організм до її початку), то більше вписувалося кількість енергії, доступної популяції.

Харчові ланцюги можна розділити на два основні типи: пасовищний ланцюг, який починається з зеленої рослини і йде далі до рослиноїдних тварин, що пасуться (тобто до організмів, що поїдають живі рослинні клітини або тканини) і до хижаків (організмів, що поїдають тварин), і детритний ланцюг, який від мертвої органічної речовини йде до мікроорганізмів, а потім до детритофагів і до хижаків. Харчові ланцюги не ізольовані одна від одної, а тісно переплітаються один з одним, утворюючи так звані харчові мережі.

Трофічний рівень - сукупність організмів, які отримують перетворену в їжу енергію Сонця та хімічних реакцій (від автотрофів) через однакову кількість посередників трофічного ланцюга, тобто. які займають певне становище у загальному ланцюзі харчування. Так, зелені рослини займають перший трофічний рівень (рівень продуцентів), травоїдні - другий (рівень первинних консументів), первинніхижаки, що поїдають травоїдних, – третій (рівень вторинних консументів), а вторинні хижаки – четвертий (рівень третинних консументів). Ця трофічна класифікація відноситься до функцій, а не до видів як таких. Населення цього виду може займати один або кілька трофічних рівнів, дивлячись по тому, які джерела енергії вона використовує. Замикають цей біологічний кругообіг, як правило, редуценти або деструктори (мікроорганізми, бактерії), що розкладають органічні залишки.

Консументи - це не просто пасивні "їдці", що входять у харчовий ланцюг. Вони, задовольняючи свої потреби в енергії, часто через систему позитивного зворотного зв'язку діють на трофічні рівні, що знаходяться вище. Наприклад, в Африці виїдання рослинності саван величезними стадами антилоп, поряд із пожежами під час посушливого сезону, збільшує швидкість повернення елементів живлення у ґрунт. Наступного дощового сезону посилюється відновлення трави та збільшується її продукція. Відомий цікавий приклад впливу консументів на продуценти морської екосистеми. Малячі краби, що харчуються на морських маршах водоростями і детритом, декількома способами "доглядають" свої кормові трави. Роя ґрунт, краби підсилюють циркуляцію води навколо коренів трави та вносять глибоко в анаеробну зону узбережжя кисень та поживні речовини. Постійно переробляючи багаті органікою донні мули, на яких вони харчуються, краби покращують умови для зростання та розвитку бентосних водоростей.

Трофічну структуру можна зобразити графічно як екологічних пірамід, основою яких є перший рівень (рівень продуцентів), а наступні рівні утворюють поверхи і вершину піраміди (рисунок 1).

Малюнок 1. Екологічна піраміда (біомас) та трофічні рівніекосистемі. Піраміду на малюнку перевернуто.

Екологічна піраміда - це співвідношення між продуцентами, консументами та редуцентами в природних екосистемах, виражене в їх масі у вигляді графічних моделей. Ефект піраміди у вигляді таких моделей розробив Чарльз Елтон (1927). Екологічні піраміди можна віднести до трьох основних типів:

1) піраміда чисельностей - відбиває кількість окремих організмів за трофічними ланцюгами, причому чисельність особин під час руху продуцентів до консументів різного порядку значно зменшується;
2) піраміда біомас - показує співвідношення різних організмів по харчових ланцюгах у цій екосистемі. Видно, що параметри продуцентів зазвичай вище, ніж консументів різного порядку (звідси і форма піраміди);
3) піраміда енергії - дані величини потоку енергії через послідовні трофічні (харчові) рівні, тобто. ця піраміда відбиває картину швидкостей проходження маси їжі через трофічний ланцюг тощо. Всі ці основні типи екологічної піраміди демонструють закономірне зниження всіх показників із підвищенням трофічного рівня живих організмів.

На кожному трофічному рівні спожита їжа асимілюється в повному обсязі, оскільки значна її частина губиться, витрачається обмін речовин, тому продукція організмів кожного попереднього рівня завжди менше, ніж наступного. У зв'язку з цим у наземних екосистемах вага продуцентів (на одиницю площі і абсолютно) більша, ніж консументів, консументів першого порядку більша, ніж консументів другого порядку тощо. Тому графічна модель має вигляд піраміди. У деяких водних екосистемах, що відрізняються виключно високою біологічною продуктивністю продуцентів, піраміда біомас може бути зверненою, тобто біомасапродуцентів у яких менше, ніж консументів, котрий іноді редуцентів.