 |
ТЕМА 14. Экосистемы, их классификация и структура.
|
|
|
|
Цель – познакомить студентов с экосистемой, как фундаментальной единицей биосферы.
Задачи: 1. Дать понятие об экосистеме и биогеоценозе.
2. Рассмотреть подходы к классификации экосистем.
3. Представить трофическую структуру экосистем.
Краткая теория вопроса
Термин «экосистема» впервые был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тенсли. Автор представлял ее как сочетание биотопа и биоценоза. Понятие биотопа включает в себя абиотические факторы среды – экотоп-климатоп, как совокупность климатических условий, и эдафотоп – почвенно-грунтовые условия. Таким образом, экосистема = биотоп (климатоп + эдафотоп) + биоценоз (фитоценозы, зооценозы, микробоценозы и микоценозы). Само же представление об экосистемах возникло значительно раньше. Упоминание о единстве организмов и среды можно найти в самых древних письменных памятниках истории.
В настоящее время широкое распространение получило следующее определение: экосистема – это любая совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ. По Н.Ф. Реймерсу (1990), экосистема – это любое сообщество живых существ и его среда обитания, объединенные в единое функциональное целое, возникающее на основе взаимозависимости и причинно-следственных связей, существующих между отдельными экологическими компонентами.
Экосистема – основная функциональная единица в экологии, так как в нее входят организмы и неживая среда, т.е. компоненты, взаимно влияющие на свойства друг друга и обеспечивающие необходимые условия для поддержания жизни в той ее форме, которая существует на Земле.
Принцип (закон) формирования экосистем гласит: длительное существование организмов возможно лишь в рамках экологических систем, где их компоненты и элементы дополняют друг друга и соответственно приспособлены друг к другу, что обеспечивает воспроизводство среды обитания каждого вида и относительно неизменное существование всех экологических компонентов.
|
|
|
В отечественной литературе широко применяется термин «биогеоценоз», предложенный в 1940 г. В.Н. Сукачевым. Экосистема и биогеоценоз – близкие по сути понятия. Но экосистема обеспечивает круговорот веществ любого ранга, распространяясь и на водные объекты, а биогеоценоз – понятие территориальное и относится к таким участкам суши, которые заняты фитоценозами. Любой биогеоценоз является экологической системой, но не всякая экосистема может считаться биогеоценозом (например, морская экосистема). Биогеоценозы – сугубо наземные образования, имеющие четкие границы.
По В.Н. Сукачеву, биогеоценоз – это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира, микроорганизмов, почвы и гидрологических условий), имеющая особую специфику взаимодействий этих компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией между собой и с другими явлениями природы и представляющая собой внутреннее противоречивое диалектическое единство, находящееся в постоянном движении, развитии.
Структурной основой биогеоценоза является растительный компонент – фитоценоз. Это обусловлено двумя причинами: 1- растительное сообщество – единственный компонент в составе биогеоценоза, способный аккумулировать солнечную энергию путем синтеза органических веществ из неорганических; 2 - растения ведут «прикрепленный» образ жизни из-за равномерного распределения в пространстве материальных ресурсов для фотосинтеза. Это определяет хорошо выраженное структурное оформление растительных сообществ, вертикальное и горизонтальное расчленение их на так называемые ярусы и микрогруппировки.
|
|
|
В экологии пока что не пришли к единой классификации типов экосистем. Выделяют следующие основные их классификации: биомную, координационную (или ординационную), морфологическую, иерархическую, факториальную, функциональную. В основе биомной классификации лежат заметные постоянные макроструктурные черты. Наземные биомы выделены по естественной растительности, а типы водных экосистем – по геологическим и физическим особенностям.
Основные типы природных экосистем и биомов (по Ю.Одуму, 1986)
Наземные биомы
Вечнозеленый тропический дождевой лес
Полувечнозеленый тропический лес: выраженный влажный и сухой сезоны
Пустыня: травянистая и кустарниковая
Чапараль – районы с дождливой зимой и засушливым летом
Тропические грасленц и саванна
Степь умеренной зоны
Бореальные хвойные леса
Тундра: арктическая и альпийская
Типы пресноводных экосистем
Ленточные (стоячие воды): озера, пруды и т.д.
Лотические (текучие воды): реки, ручьи и т.д.
Заболоченные угодья: болота и болотистые леса
Типы морских экосистем
Открытый океан (пелагическая)
Воды континентального шельфа (прибрежные воды)
Районы апвеллинга (плодородные районы с продуктивным рыболовством)
Эстуарии (прибрежные бухты, проливы, устья рек, соленые марши и т.д.) ____________________________________________________________
Перечисленные шестнадцать основных типов экосистем представляют собой ту среду, на которой развилась человеческая цивилизация, и основные биотические сообщества, поддерживающие жизнь на Земле.
Два абиотических фактора – температура и влажность определяют размещение по земной поверхности основных наземных биомов. В разных районах земного шара годовая сумма осадков меняется от 0 до 2500 мм и более. Среднегодовая температура варьирует от отрицательных величин до 38оС. Температуры могут быть практически постоянными в течение года (у экватора) или меняться по сезонам. Специфика климатических условий определяет развитие того или иного биома.
Каждый биом характеризуется специфическим составом не только растений, но и животных. Так, белый полярный медведь водится только во льдах Арктики, поскольку он приспособился к определенному комплексу условий: холодная вода, соответствующая пища (тюлени, молодые моржи, рыба и выброшенные на мель киты) и дрейфующие льды.
|
|
|
Координационная классификация экосистем – представляет собой последовательное расположение их в виде какого-либо ряда или расположение в системе координат в зависимости от важнейших экологических факторов. Например, эдафофитоценотические ряды В.Н. Сукачева, показывают расположение типов лесных биоценозов в зависимости от основных экологических факторов.
Морфологическая классификация основана на внешних (морфологических или физиологических признаках). В первую очередь учитываются признаки биоты, затем условия окружающей среды. В биоте прежде всего характеризуется растительность (видовое разнообразие, доминанты, эдификаторы).
Иерархическая классификация, или субординация, экосистем основывается на расположении таксонов в порядке их соподчинения (аналогично биологической систематизации). Выделяют следующие уровни экосистемных таксонов:
тип – по характеру поступления в экосистему необходимых биотических веществ, например транзитные, автономные;
класс – по температурному и влажностному режимам - термогидрофильный, криогидрофильный и др.;
семейство – по адаптивным особенностям биоты по морфологии, физиологии – луговые, тропические леса и др.;
род – по пространственному распределению биоценоза – мозаичность, ярусность, синузии);
вид – в зависимости от встречаемости второстепенных компонентов биоты.
Факториальная классификация разработана географами, климатологами, ландшафтоведами, почвоведами и основана на свойствах абиотических компонентов экосистем, т.е. характеризует в основном экотоп. Недостаток ее состоит в том, что ядро экосистемы – биоценоз – характеризуется поверхностно.
Функциональная классификация основана на круговороте веществ и потоке энергии с определением таких структурных показателей, как общая биомасса, приток и отток веществ, степень использования первичной продукции гетеротрофами, соотношение массы годового опада и многолетней подстилки и других параметров, характеризующих функционирование экосистемы.
|
|
|
Cуществующие на Земле экосистемы разнообразны и по размерам. Выделяют микроэкосистемы – ствол гниющего дерева, подстилка лишайников на стволе дерева; мезоэкосистемы – луг, степь, лес, небольшой временный водоем; макроэкосистемы – континент, океан, крупные болота; глобальная экосистема - биосфера.
По количеству поступающей и используемой человеком энергии и ее и сточнику различают несколько типов экосистем:
1.Естественные экосистемы. Солнце – единственный источник энергии. Приток энергии в среднем 0,2 ккал/см2 в год.
2.Высокопродуктивные естественные экосистемы. Кроме солнечной используются другие естественные источники энергии (каменный уголь, торф…). Это лиманы, дельты рек, влажные тропические леса. Приток энергии – 2 ккал/см2 в год.
3.Агроэкосистемы, близкие к естественным экосистемам. Наряду с солнечной энергией используют дополнительные источники: ископаемое топливо, энергию обмена веществ людей и животных. Приток энергии – 2 ккал/см2 в год.
4.Агроэкосистемы интенсивного типа. Связаны с потреблением большого количества нефтепродуктов и агрохимикатов. Более продуктивны по сравнению с предыдущими экосистемами. Но отличаются высокой энергоемкостью – 20 ккал/см2 в год.
5.Промышленные (городские) экосистемы. Получают готовую энергию – газ, уголь, электричество. К ним относятся города, пригородные и промышленные зоны. Они являются как генераторами улучшения жизни, так и источниками загрязнения среды. Поскольку прямая солнечная энергия не используется, то промышленные экосистемы очень энергоемки – 200 ккал/см2 в год.
Выделяют биотическую и трофическую структуру экосистемы.
Биотическая структура рассматривает пути взаимодействия разных категорий организмов – растений, животных, микроорганизмов (см. лабораторную работу по биотическим факторам).
С точки зрения трофической структуры, экосистему можно разделить на два яруса: 1. Верхний – автотрофный (самостоятельно питающийся) ярус, или «зеленый пояс», включающий фотосинтетики (высшие и низшие зеленые растения) и хемосинтетики (серобактерии, нитрофицирующие бактерии и др.). Основная масса органических веществ образуется в процессе фотосинтеза. 2. Нижний – гетеротрофный (питаемый другими) ярус, или «коричневый пояс» почв и осадков, разлагающихся веществ, корней и т.д. В этом ярусе преобладают использование, трансформация и разложение сложных соединений.
|
|
|
С биологической точки зрения в составе экосистемы выделяют следующие компоненты: 1. Неорганические вещества (С, N, СО2, Н2О др.), включающиеся в круговороты; 2. Органические соединения (белки, углеводы, липиды, гумусовые вещества и др.), связывающие биотическую и абиотическую части; 3. Воздушную, водную и субстратную среду, включающую климатический режим и другие физические факторы; 4. Продуцентов, автотрофных организмов, производящих пищу из простых неорганических веществ; 5. Консументов, или фаготрофов (от греч. phagos – пожиратель), - гетеротрофных организмов, главным образом животных, питающихся другими организмами или частицами органического вещества; 6. Редуцентов и детритофагов – гетеротрофных организмов, в основном бактерий и грибов, получающих энергию либо путем разложения мертвых тканей, либо путем поглощения растворенного органического вещества, выделяющегося самопроизвольно или извлеченного сапрофитами из растений и других организмов.
Экосистема – открытая система, т.к. существует лишь при условии обмена энергией, веществом и информацией как между частями системы, так и с окружающей средой.
ЗАДАНИЕ 1.
Перед Вами слепая схема модели биогеоценоза, разработанной академиком В.Н. Сукачевым. Для воссоздания исходной модели в своей тетради впишите в пустые ячейки термины из представленного ниже перечня компонентов биогеоценоза. При этом соблюдайте соподчиненность прилагаемых понятий.
 |
ЗАДАНИЕ 2. Вставьте пропущенные слова.
Сообщество организмов разных видов, тесно взаимосвязанных между собой и населяющих более или менее однородный участок, называют …………….…… В его состав входят: ……………………………………….
Совокупность организмов и компонентов неживой природы, объединенных круговоротом веществ и потоком энергии в единый природный комплекс, называют …………………
(атмосфера, растительность (фитоценоз), почвогрунт, биоценоз, гидрологические условия, грибы (микоценоз), экотоп (косные, не живые компоненты биогеоценоза), биогеоценоз, микроорганизмы (микробоценоз), горные породы, животный мир (зооценоз)).
ЗАДАНИЕ 3.
Используя биомную классификацию, установите о каких биогеоценозах идет речь:
— мало солнечного света и тепла, произрастают многолетние растения с коротким периодом вегетации, доминируют мхи и лишайники. Из-за сильных морозов и метелей выживают лишь низкорослые древесные растения: карликовая береза, ива. Беден и видовой состав фауны. Обитают лемминги, северные олени, горностаи, песцы, а из птиц – белые куропатки и полярные совы. Синтез и распад органического вещества замедлены, скорость геохимических циклов снижена, химические реакции в почвах заторможены;
— расположены, как правило, в глубине континентов с жарким, сухим климатом. Осадков выпадает мало, испарение усилено. Растительность бедная, разреженная. Видовой состав животных невелик. Из копытных встречаются антилопы и верблюды. Масштабы синтеза и распада органических веществ ничтожны. Питательных веществ в почве мало. При высоком залегании грунтовых вод происходит засоление почв и образование солончаков;
— климатические условия благоприятны для роста деревьев. Огромную территорию покрывают хвойные леса, переходящие на юге в смешанные и широколиственные. Обитает около 10 видов семейства оленьих. Скорость биотического круговорота невелика, т.к. химические элементы в телах долгоживущих деревьев задерживаются надолго. Почвы кислые, и только в местах залегания известняков приобретают нейтральную или щелочную реакцию;
— сформировались в условиях теплого сухого климата. Среди млекопитающих преобладают грызуны и копытные. Биотический круговорот ускорен. Темпы синтеза органического вещества высоки, т.к. травы растут быстро. Большая часть фитомассы ежегодно отмирает, формируются мощные черноземы, богатые гумусом;
— теплый влажный климат, видовой состав растений и животных необычайно богат. Процессы синтеза и распада органических веществ протекают интенсивно, биотический круговорот ускорен. При бурном разложении органических веществ образуется много кислот. Под влиянием воды, обогащенной кислотами, происходит разрушение почв и вынос подвижных химических элементов в океан. Но все же часть химических элементов захватывается организмами и вовлекается в геохимический круговорот.
ЗАДАНИЕ 4. Заполните пропуски названиями функциональных групп экосистемы и царств живых существ.
Организмы, потребляющие органическое вещество и перерабатывающие его формы, называют ….…………………………………..
Они представлены в основном видами, относящимися к ………………………………..… миру. Организмы, потребляющие органическое вещество и полностью его разлагающие до минеральных соединений, называют………………………….. Они представлены видами, относящимися к ……………….. и ………………..
Организмы, которые потребляют минеральные соединения и, используя внешнюю энергию, синтезируют органические вещества, называют ……………………………………………... Они представлены в основном видами, относящимися к ……………………. миру.
Назовите организмы, которые являются продуцентами, т.е. синтезируют органические вещества из неорганических с использованием энергии, но не принадлежат к растениям ……………………
ЗАДАНИЕ 5.Рассмотрите рис. 1. Определите и представьте в тетради биотическую и трофическую структуру тундрового сообщества.
Рис. 1. Тундровое сообщество:
1 – морской сокол; 2 – поморник; 3 – волк; 4 – турухтан; 5 – полярная лиса; 6 – гнездо гаги обыкновенной; 7 – полярная гагара; 8 – москиты, личинки комара, головастики; 9 – осока, камыш; 10 – лемминг; 11 – морошка; 12 – снежная сова; 13 – карликовая береза; 14 – белая куропатка; 15 – олений мох; 16 – пушица; 17 – северный олень; 18 – кровососущие насекомые; 19 – теплокровные животные (Забелин и др., 1987)
Контрольные вопросы.
1. Что такое экосистема и биогеоценоз, чем они отличаются друг от друга?
2. Какие существуют основные классификации экосистем?
3. Назовите основные типы природных экосистем и биомов.
4. Что представляет собой биотическая структура экосистемы?
5. Что такое трофическая структура экосистемы? Какими ярусами она представлена?
6. Какие основные компоненты можно выделить в экосистеме?
Литература:
1.Николайкин Н.И. Экология – Учебн. для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп., -М.: Дрофа, - 2003, - 624 с.
2. Чистик О.В. Экология. – Учебн. пособие. – 2-е изд. – МН.:Новое знание, 2001, – 248 с.
3. Агроэкология. Черников В.А., Чекерес А.И. –М: Колос, 2000 г.
|
|
|
