Экологическая система и ее основные функции

Компоненты экосистемы. Учение о биосфере. Функции живого вещества. Закон сохранения (бережливости). Биотический круговорот. Аксиома В. С. Преображенского о границах экосистем. Экотоны и концепция краевого (;приграничного) эффекта.

Компоненты экосистемы

Живые организмы и их неживое (абиотическое) окружение нераздельно связаны друг с другом и находятся в постоянном взаимодействии. Они обмениваются веществом, энергией, информацией. С точки зрения обмена энергией любое единство, включающее организмы, находящиеся на некоем участке, которые взаимодействуют с окружающей физической средой таким образом, что поток энергии создает четко выраженную трофическую структуру, видовое разнообразие и обмен веществом между биотической и абиотической частями (круговорот веществ) внутри системы, представляет собой экологическую систему, или экосистему. Климат, воды, рельеф местности, экспозиция склона и другие физические факторы контролируют состав и функционирование экосистемы.

С точки зрения трофических (от греч. trophe — питание) отношений экосистема имеет два компонента (которые обычно частично разделены во времени и пространстве):

• 1) автотрофный компонент (автотрофный — самостоятельно питающийся), для которого в основном характерны фиксация световой энергии (зеленые растения), использование простых неорганических веществ и построение сложных органических веществ. К автотрофам относятся также хемосинтезирующие организмы¹;
• 2) гетеротрофный компонент (гетеротрофный — питаемый другими), для которого характерны утилизация, перестройка и разложение сложных органических веществ^[1][2].

Экосистемы включают:

1) неорганические вещества (С, N, С0₂, Н₂0 и т. д.), включающиеся в круговороты, но органогенные или биогенные, т. е. те, которые входят в состав органических веществ;

• 2) органические вещества (белки, углеводы, липиды, гуминовые вещества и т. д.), связывающие биотическую и абиотическую части;
• 3) продуценты — автотрофные организмы, главным образом зеленые растения, которые способны создавать пищу из простых неорганических веществ;
• 4) макроконсументы, или фаготрофы (от греч. fagos — пожирающий) — гетеротрофные организмы, главным образом животные, которые поедают другие организмы или частицы органического вещества;
• 5) микрокопсументы, сапротрофы (от греч. sapro — разлагать), или осмотрофы, или редуценты (от лат. reduco — возвращаю, восстанавливаю), гетеротрофные организмы, использующие для питания органические соединения мертвых тел или выделения (экскременты) животных, которые разрушают сложные соединения мертвой протоплазмы, поглощают продукты разложения и высвобождают неорганические питательные вещества, пригодные для использования продуцентами, а также органические вещества, способные служить источниками энергии, ингибиторами или стимуляторами для других биотических компонентов экосистемы. Сапротрофы — это преимущественно бактерии и грибы, а также сапрофиты — немногие высшие растения, в том числе паразитические цветковые и некоторые водоросли. Среди животных сапротрофов сапрофагами являются некоторые насекомые (жуки-мертвоеды, навозники, личинки ряда мух и др.), дождевые черви, речные раки, из млекопитающих — гиены, из птиц — грифы, вороны.

Ингибиторы (от лат. inhibeo — сдерживаю, останавливаю) — вещества различной химической природы, которые замедляют или приостанавливают метаболические процессы, т. е. обмен веществ.

Катализаторы — химические вещества, ускоряющие реакцию, но не входящие в состав продуктов реакции.

Первые две группы — неживые компоненты, а остальные составляют биомассу (живой вес).

Гетеротрофные микроорганизмы (бактерии, грибы и т. д.) относительно неподвижны (обычно они заключены в разлагаемую ими среду) и очень мелки при высокой интенсивности метаболизма и скорости оборота. Морфологически они специализированы в меньшей степени, чем в биохимическом отношении, и поэтому при помощи таких прямых методов, как визуальное наблюдение или подсчет численности, их роль в экосистеме установить трудно.

Организмы, которые мы называем макроконсументами, получают необходимую энергию, переваривая органическую материю в виде частиц. Именно они — это «животные» в широком смысле слова. Они развиваются в направлении морфологической адаптации к активному поиску или сбору пищи, что сопровождается развитием сложной нервной сенсорно-двигательной системы, а также высокоорганизованных систем пищеварения, дыхания и кровообращения. Поэтому, видимо, вернее будет не определять какую-либо одну группу организмов как «агентов разложения» («разрушители», «разлагатели» или «редуценты»), а рассматривать «разложение» как процесс, в котором участвует вся биота, а также абиотические процессы^[3].

С функциональной точки зрения экосистемы целесообразно анализировать в следующих направлениях:

• 1) потоки энергии;
• 2) пищевые цепи;
• 3) структура пространственно-временного разнообразия;
• 4) круговороты питательных элементов (биогеохимические круговороты);
• 5) развитие и эволюция;
• 6) управление.

Один из самых общих признаков экосистем — наземных, пресноводных или морских, создаваемых человеком, или природных, — взаимодействие автотрофных и гетеротрофных компонентов. Очень часто эти организмы и осуществляемые ими функции в определенной степени разделены в пространстве, располагаясь в виде ярусов, одни над другим: автотрофный метаболизм наиболее интенсивно происходит в верхнем ярусе — «зеленом поясе», т. е. там, где наиболее доступна световая энергия, а гетеротрофный метаболизм преобладает внизу, в почвах и отложениях — «коричневом поясе», в котором накапливается органическое вещество¹.

Три живых компонента экосистем (продуценты, фаготрофы (консументы) и сапротрофы (редуценты)) можно рассматривать как три «функциональных царства природы», так как их разделение основано на тине питания и используемом источнике энергии. Эти экологические категории не следует смешивать с царствами природы, выделяемыми систематиками: экологическая классификация — это классификация функций, а не видов как таковых^[4][5]. Некоторые виды организмов занимают в приведенном ряду промежуточное положение, другие способны изменять тип питания в зависимости от условий среды. Разделение гетеротрофов на крупных и мелких консументов хотя и условно, однако оправдано практическими соображениями, поскольку методы изучения тех и других очень сильно различаются.

Живые и неживые части экосистемы настолько тесно связаны природой в одно целое, что разделить их трудно. Большинство биогенных веществ (С, Н, О, N, Р и т. д.) и органических соединений (углеводороды, белки, жиры и т. д.) не только встречаются как в организмах, так и вне их, но и образуют непрерывный поток между живыми, мертвыми и косными компонентами экосистемы. Однако некоторые вещества принадлежат исключительно одному из этих состояний. Так, например, аденозинтрифосфат (АТФ) — вещество, обладающее большим запасом энергии, — встречается только в живых клетках (а вне их его существование бывает очень кратковременным), тогда как гуминовые вещества — устойчивые конечные продукты разложения — никогда не встречаются в клетках, хотя являются обильным и характерным компонентом всех экосистем. Другие важнейшие биологические соединения, например дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), которая служит генетическим материалом клеток, и хлорофиллы, могут встречаться и вне клеток, но тогда они не функционируют. Количественное определение АТФ, гумуса и хлорофилла на единицу площади или объема дает соответственно показатели биомассы, разложения и продукции^[6].

Функционирование автотрофов и гетеротрофов частично разделено также во времени: использование продукции автотрофных организмов гетеротрофами может происходить с существенной задержкой. Например, в лесной экосистеме фотосинтез превалирует в листовом пологе. Лишь часть продуктов фотосинтеза, часто весьма небольшая, немедленно и непосредственно используется растением и гетеротрофами — фитофагами и паразитами, питающимися листвой и молодой древесиной. Большая часть синтезированного вещества (в форме листьев, древесины и запасных питательных веществ в семенах и корнях) в конце концов попадает в подстилку и почву, образующие вместе четко определенную гетеротрофную систему^[3]. Такое пространственно-временное разделение процессов позволяет подразделить потоки энергии на два типа:

• 1) пастбищный, в котором происходит прямое потребление живых растений или их частей;
• 2) детритный, в котором идет накопление и разложение мертвого вещества. Термин «детрит» — «продукт распада» (от лат. deterere — изнашиваться) заимствован из геологии, где им обычно обозначают продукты разрушения горных пород. В экологии «детритом» называется органическое вещество, включающееся в процесс разложения.

По иронии судьбы многие токсические продукты, которые человек вводит в окружающую среду — гербициды, пестициды, промышленные сточные воды, — являются производными бензола и представляют серьезную опасность из-за своей устойчивости к разложению.

Пестициды (от лат. pestis — зараза и caedo — убивать) — это химические и биологические препараты, используемые для борьбы с вредителями и болезнями растений, сорными растениями, вредителями хранящейся сельскохозяйственной продукции, бытовыми вредителями и внешними паразитами животных, а также для регулирования роста, предуборочного удаления листьев, предуборочного подсушивания растений. Действующее вещество пестицида — биологически активная его часть, использование которой приводит к воздействию на тот или иной вид вредного организма или на рост и развитие растений. В зависимости от объекта воздействия различают:

• • гербициды — для уничтожения сорной растительности;
• • инсектициды — для уничтожения вредных насекомых;
• • зооциды — для борьбы с грызунами;
• • фунгициды — для уничтожения возбудителей грибковых заболеваний растений;
• • дефолианты — для удаления листьев;
• • репелленты — для отпугивания насекомых, грызунов и других животных.

• [1] Хемосинтетики — организмы автотрофного питания, не зависящие от энергии солнечного света, которым источником энергии для синтеза органических веществ из метана, аммиака, сероводорода, углекислого газа и др. служат реакции окисления неорганическихсоединений. К ним относятся, например, серобактерии, железобактерии, археи и т. д.
• [2] См.: Одум Ю. Основы экологии.
• [3] См.: Одум Ю. Экология.
• [4] См.: Одум /О. Основы экологии.
• [5] См.: Николайкин, Я. И., Николайкина Я. Е., Мелехова О. Я. Экология: учебник для вузов.2-е изд. М.: Дрофа, 2005.
• [6] См.: Глазачев С. Я., Косоножкин В. И. Экология. Аудиторный практикум.
• [7] См.: Одум Ю. Экология.