Рассмотрение особенностей экосистемы. Характеристика продуцентов и консументов. Анализ функциональных групп организмов любой экосистемы. Исследование правил пищевой цепи. Изучение взаимосвязи организмов в биоценозах. Экологические законы Коммонера.
Аннотация к работе
В целом это вся биосфера, а также ее составляющие: популяции, биоценозы, экосистемы. Одним из важнейших понятий экологии является понятие экосистемы - биологической системы, состоящей из сообщества живых организмов (биоценоза), среды их обитания (биотопа) и системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними. Этот термин происходит от греческих слов ???? - «жизнь» и ?????? - «общий», и означает он исторически сложившуюся совокупность животных, растений, грибов и микроорганизмов, населяющих относительно однородное жизненное пространство (определенный участок суши или акватории), и связанных между собой и окружающей их средой. О самой же экосистеме можно сказать, что это функциональное единство живых организмов и среды их обитания. Поэтому под экосистемой обычно понимают совокупность компонентов биотической (живые организмы) и абиотической среды, при взаимодействии которых происходит более или менее полный биотический круговорот, в котором участвуют продуценты, консументы и редуценты.В качестве заключения хотелось бы вспомнить экологические законы Барри Коммонера, которые служат тезисами всей науки экологии. Первый закон экологии Коммонера обращает внимание на всеобщую связь процессов и явлений в природе и близок по смыслу к закону внутреннего динамического равновесия: изменение одного из показателей системы вызывает функционально-структурные количественные и качественные перемены, при этом сама система сохраняет общую сумму вещественно-энергетических качеств. Энергия в разных формах связывает все организмы на Земле друг с другом и со средой обитания. В природе происходит постоянный круговорот питательных веществ или биогенов. Как бы не рвался вперед прогресс, какие искусственные экосистемы не создавались бы человеком, превзойти созданное природой или обойти законы природы он, человек, не может.
Введение
На протяжении всей своей истории человек наблюдает за окружающим его миром, а также взаимодействует с природой и оказывает на нее свое влияние. При этом он познает мир и изучает принципы взаимоотношений живого с органическими и неорганическими компонентами окружающей среды. Сам процесс такого исследования мира породил целую науку экологию.
Современное понятие экологии имеет более широкое значение, чем в первые годы развития этой науки. В наше время чаще всего под экологией ошибочно понимаются, прежде всего, вопросы охраны окружающей среды. Действительно одна из задач экологии - разработка принципов рационального использования природных ресурсов на основе сформулированных общих закономерностей организации жизни.
Но в остальном современная экология - это сложная, разветвленная наука, которая тесно связана с биологией, химией, математикой, географией, физикой и прочими науками.
Экология имеет свои собственные объекты исследования. В целом это вся биосфера, а также ее составляющие: популяции, биоценозы, экосистемы. А предметом науки является изучение организации и функционирования таких систем.
Одним из важнейших понятий экологии является понятие экосистемы - биологической системы, состоящей из сообщества живых организмов (биоценоза), среды их обитания (биотопа) и системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними.
1. Понятие экосистемы экосистема продуцент биоценоз
Прежде чем начать разговор об экосистеме, следует рассказать несколько слов об ее основных составляющих.
Важной частью любой экосистемы является биоценоз. Этот термин происходит от греческих слов ???? - «жизнь» и ?????? - «общий», и означает он исторически сложившуюся совокупность животных, растений, грибов и микроорганизмов, населяющих относительно однородное жизненное пространство (определенный участок суши или акватории), и связанных между собой и окружающей их средой. Биоценозы возникли на основе биогенного круговорота и обеспечивают его в конкретных природных условиях. Таким образом, биоценоз - это динамическая, способная к саморегулированию система, компоненты которой (продуценты, консументы, редуценты) взаимосвязаны.
Наиболее важными количественными показателями биоценозов являются биоразнообразие (совокупное количество видов в нем) и биомасса (совокупная масса всех видов живых организмов данного биоценоза).
Как уже было сказано выше, биоценоз существует на относительно однородном по абиотическим факторам среды (суши или водоема) участке геопространства - биотопе (от греч. ???? - жизнь и ????? - место). В самом общем смысле биотоп является небиотической частью биогеоценоза. О самой же экосистеме можно сказать, что это функциональное единство живых организмов и среды их обитания.
С биологической точки зрения в этом единстве можно выделить: 1)неорганические вещества, 2) органические вещества, 3) воздушную, водную и субстратную среду, 4) продуценты, 5) консументы.
Как правило, неорганические вещества представлены такими соединениями как CO2, HO2, N2, O2, минеральными солями и др. Органика в свою очередь включает в себя белки, углеводы, липиды, органические кислоты и прочие вещества, связывающие биотическую и абиотическую части.
Продуценты (от лат. producere - производить) - это автотрофные организмы, то есть такие организмы, которые способны производить органические вещества из неорганических (растения и автотрофные бактерии). Консументы (от лат. consumo - «пожираю») в отличие от продуцентов потребляют органические вещества (животные, гетеротрофные растения, некоторые микроорганизмы). Кроме того, из консументов следует выделить группу редуцентов - гетеротрофных организмов, питающихся органическими остатками и разлагающие их до минеральных веществ (сапротрофные бактерии и грибы).
Не стоит также забывать, что и продуценты, и консументы частично выполняют функции редуцентов, выделяя в окружающую среду минеральные вещества - продукты их метаболизма.
Словом, в любой экосистеме можно выделить три функциональные группы организмов: продуценты, консументы и редуценты. Исключение составляют экосистемы, образованные только микроорганизмами, в них отсутствуют консументы.
Каждая конкретная экосистема может характеризоваться определенными границами (экосистема елового леса, экосистема низинного болота). Однако само понятие «экосистема» безранговое. Она обладает признаком безразмерности, ей не свойственны территориальные ограничения. Обычно экосистемы разграничиваются элементами абиотической среды, например рельефом, видовым разнообразием, физико-химическими и трофическими условиями и т.н. Размер экосистем не может быть выражен в физических единицах измерения (площадь, длина, объем и т.д.). Он выражается системной мерой, учитывающей процессы обмена веществ и энергии. Поэтому под экосистемой обычно понимают совокупность компонентов биотической (живые организмы) и абиотической среды, при взаимодействии которых происходит более или менее полный биотический круговорот, в котором участвуют продуценты, консументы и редуценты.
Часто понятие экосистемы подменяют понятием биогеоценоза. Биогеоценоз (от греч. ???? - жизнь ?? - земля ?????? - общий) - система, включающая сообщество живых организмов и тесно связанную с ним совокупность абиотических факторов среды в пределах одной территории, связанные между собой круговоротом веществ и потоком энергии (природная экосистема). Представляет собой устойчивую саморегулирующуюся экологическую систему, в которой органические компоненты (животные, растения) неразрывно связаны с неорганическими (вода, почва).
Но, несмотря на, казалось бы, тождественность определений, биогеоценоз и экосистема это не синонимы. Экосистема - более широкое понятие, относящееся к любой подобной системе. Биогеоценоз, в свою очередь - класс экосистем, экосистема, занимающая определенный участок суши и включающая основные компоненты среды - почву, подпочву, растительный покров, приземный слой атмосферы.
Таким образом, каждый биогеоценоз - это экосистема, но не каждая экосистема - биогеоценоз.
2. Функционирование экосистем
Как нам уже стало известно организмы в биоценозах тесно связаны как друг с другом, так и с неживой природой через вещество и энергию. 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 сложные органические вещества превращаются в конце концов в такие простые соединения, как диоксид углерода, вода, ряд элементов, которые могут быть снова использованы, к примеру, 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.
Для того чтобы понять принципы функционирования экосистем, в первую очередь следует приступить к анализу трех основных компонентов, обеспечивающих само функционирование: 1 - радиация Солнца, как источник превратимой энергии, 2 - масса неживых компонентов, 3 - масса живых компонентов экосистемы.
Далее следует выявить связь между биоценозом и биотопом, а также их связь с источником постоянной энергии. На рисунке показана упрощенная схема этих связей:
На схеме видно, что поток энергии направлен в одну сторону. При этом только часть поступающей солнечной энергии преобразуется сообществом и переходит на качественно более высокую ступень, трансформируясь в органическое вещество, представляющее собой более концентрированную форму энергии, чем солнечный свет, но большая часть энергии деградирует, проходит через систему и покидает ее в виде низкокачественной тепловой энергии (тепловой сток). Энергия может накапливаться, затем снова высвобождаться или экспортироваться, как показано на схеме, но ее нельзя использовать вторично. В отличие от энергии элементы питания, в том числе биогенные элементы, необходимые для жизни (углерод, азот, фосфор и т.д.), и вода могут использоваться многократно. Эффективность повторного использования и размеры импорта и экспорта элементов питания сильно варьируют в зависимости от типа экосистемы.
Таким образом, можно выделить следующие принципы функционирования экосистем
- экосистемы существуют за счет солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно. Согласно второму началу термодинамики, часть энергии, преобразующейся из одного вида в другой, неизбежно переходит в тепло. Поэтому для поддержания жизни необходимо постоянное поступление потока энергии извне экосистемы. Единственный источник энергии для всех экосистем Земли - солнечный свет. Этой энергии хватает с избытком - растения используют всего лишь 0.5% количества солнечной энергии, достигающей Земли. К тому же расстояние до Солнца (150 млн. км) ограждает биосферу от радиоактивных излучений. Кроме того солнечная энергия всегда будет доступна в одинаковом (безграничном) количестве и по неизменной цене (бесплатно). А астрономы полагают, что Солнце будет светить еще несколько миллиардов лет. Это равнозначно вечности, если говорить даже о нескольких сотнях поколений людей.
- следующий принцип функционирования является, по сути, отражением закона сохранения массы: получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов таблицы Менделеева. В природе происходит постоянный круговорот питательных веществ или биогенов. Из почти 100 химических элементов, которые встречаются в природной среде, почти 40 необходимы для функционирования живых организмов. Из этих химических элементов N (азот), С (углерод), Н (водород), О (кислород), Р (фосфор), S (сера) (в том числе и в катионной форме) относятся к главным биогенам, которые требуются в значимых объемах. Химическою элементы циркулируют в биосфере по различным путям биологического круговорота: поглощаются живым веществом, "заряжаются" энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопительную энергию во внешнюю среду.
Нужно заметить, что процессы круговорота происходят в конкретных экосистемах, но в полном виде биогеохимические циклы реализуются лишь на уровне биосферы в целом.
- третий принцип связан с понятием трофического уровня, как совокупности организмов, которые, в зависимости от способа их питания и вида корма, составляют определенное звено пищевой цепи.
Проще говоря, к одному трофическому уровню принадлежат организмы, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней. Как уже было ранее отмечено, благодаря пищевой (трофической) цепи в результате поедания одними организмами других происходит перенос веществ и заключенной в них энергии от автотрофов к гетеротрофам. Понятно, что автотрофы всегда составляют первый трофический уровень. Второй уровень - это растительноядные (фитофаги) консументы первого порядка; третий уровень (допустим, хищники) - консументы второго порядка и т. д. В экосистеме обычно бывает 4-5 трофических уровней и редко больше 6. Частично это обусловлено тем, что на каждом из уровней часть вещества и энергии теряется (неполное поедание пищи, дыхание консументов, «естественная» гибель организмов и т. п.); такие потери отражены на рисунке и подробнее обсуждаются в соответствующей статье. Однако, судя по результатам недавних исследований, длина пищевых цепей ограничивается и другими факторами. Возможно, существенную роль играют доступность предпочитаемой пищи и территориальное поведение, снижающее плотность расселения организмов, а, значит, и численность консументов высших порядков в конкретном местообитании. По существующим оценкам, в некоторых экосистемах до 80% первичной продукции не потребляется фитофагами. Мертвый же растительный материал становится добычей организмов, питающихся детритом (детритофагов) или редуцентов (деструкторов). В таком случае говорят о детритных пищевых цепях. Детритные пищевые цепи преобладают, например, в дождевых тропических лесах.
Общее правило, касающееся любой пищевой цепи, гласит: на каждом трофическом уровне сообщества большая часть поглощаемой с пищей энергии тратится на поддержание жизнедеятельности, рассеивается и больше не может быть использована другими организмами. Таким образом, потребленная пища на каждом трофическом уровне ассимилируется не полностью. Значительная ее часть расходуется на обмен веществ. При переходе к каждому последующему звену пищевой цепи общее количество пригодной для использования энергии, передаваемой на следующий, более высокий трофический уровень, уменьшается.
Иными словами, чем больше биомасса популяции, тем ниже должен быть занимаемый ею трофический уровень. Или обратный принцип: на конце длинных пищевых цепей не должно быть большой биомассы.
Вывод
В качестве заключения хотелось бы вспомнить экологические законы Барри Коммонера, которые служат тезисами всей науки экологии.
Все связано со всем. Первый закон экологии Коммонера обращает внимание на всеобщую связь процессов и явлений в природе и близок по смыслу к закону внутреннего динамического равновесия: изменение одного из показателей системы вызывает функционально-структурные количественные и качественные перемены, при этом сама система сохраняет общую сумму вещественно-энергетических качеств. Энергия в разных формах связывает все организмы на Земле друг с другом и со средой обитания. То есть первый тезис Коммонера прямо указывает на принципы функционирования экологических систем.
Все должно куда-то деваться. Второй тезис можно так же соотнести с принципом функционирования экосистем. Напомним, что получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов таблицы Менделеева. В природе происходит постоянный круговорот питательных веществ или биогенов. Иными словами не все куда-то деваеться, а все в природе находиться в постоянном движении, переходе из одной формы в другую и обратно.
Природа знает лучше. Вряд ли у кого-то есть сомнения в справедливости этого тезиса. Как бы не рвался вперед прогресс, какие искусственные экосистемы не создавались бы человеком, превзойти созданное природой или обойти законы природы он, человек, не может. Этот закон не просто призывает сблизиться с природой, но и требует крайне осторожно обращаться с природными системами.
Ничто не дается даром. Каждое новое достижение неизбежно сопровождается утратой чего-то прежнего. Этот закон базируется на результатах возникновения и развития жизни на земле, на естественном отборе в процессе эволюции жизни. Так, для любого органического вещества, вырабатываемого организмами, в природе существует фермент, способный это вещество разложить. В природе ни одно органическое вещество не будет синтезировано, если нет средств для его разложения. Благодаря этому редуценты производят биогены для питания продуцентов, которыми в свою очередь питаются консументы. Этот закон связан с первым тезисом Коммонера и указывает на тот же круговорот веществ в природе.
Список литературы
1. Экология. Учебник для студентов вузов/ Т.А.Акимова, В.В.Хаскин; 2-е изд., перераб. и дополн.- М.:ЮНИТИ, 2009.
2. Экология: Учебное пособие / Под. ред. проф. В. В. Денисова. - 2 - изд., исправленное и дополненное. - Москва: ИКЦ "МАРТ", Ростов-на-Дону: Феникс, 2006.