Экосистема (биогеоценоз). Часть 1

На этой странице вы узнаете

• Самый инопланетный уголок Земли — где он находится?
• Внутри какого вулкана вовсю кипит жизнь?
• Почему моряки не ловят моллюсков в тех месяцах, в чьих названиях встречается буква «р»?

В конце 80-х годов XX века в США пустыне Аризоне компанией Space Biosphere Ventures был запущен проект «Биосфера 2». Цель проекта состояла в том, чтобы выяснить, возможно ли создать замкнутую экосистему, похожую на земную, и смогут ли люди жить в этой экосистеме достаточно долгое время. Но проект провалился. Примерно через год, как только люди вошли в созданную замкнутую экосистему, у них сильно снизился запас кислорода, затем наступил голод и психические проблемы. 

Попытки воссоздать экосистему Земли возобновились с 2011 года. Почему проект «Биосфера 2» провалился, что такое экосистема и почему ее так трудно воссоздать? Давайте в этой статье изучим структуру экосистемы и ее основные законы.

Экосистема (биогеоценоз), ее компоненты и их роль

Как вы думаете: что общего у аквариума, лесов Амазонии, заплесневелого хлеба и города? Это все экосистемы. Экосистема — это идеальная структура отношений. 

Экосистема (биогеоценоз) — это совокупность совместно обитающих организмов (биоценоз) и компонентов неживой природы, при взаимодействии которых происходит круговорот веществ и энергии.

Понятия «экосистема» и «биогеоценоз» в широком смысле это одно и то же. Но если их рассмотреть более подробно, вы сможете заметить между ними разницу. Давайте начнем с самого начала, а именно с авторов этих двух понятий и какой смысл они вкладывали в эти понятия. 

Английский ученый Артур Тенсли предложил термин «экосистема». Он считал, что экосистемы не имеют четких границ и могут быть созданы человеком. Любая экосистема состоит из компонентов неживой природы и биоценоза. 

Позднее русским ученым Владимиром Николаевичем Сукачёвым был введен в науку термин биогеоценоз.

Биогеоценоз (луг, лес, озеро) — это естественного происхождения экосистема и ее границы определены растительным сообществом. 

Абиотическую среду (экотоп) образует неживой компонент — климатоп, и компонент живого происхождения — эдафотоп (почва, грунт). Биоценоз экосистемы складывается из трех фундаментальных групп живых организмов: продуценты, консументы, редуценты.

Продуценты (производители)	Консументы (потребители)	Редуценты (разрушители, деструкторы)
Автотрофные организмы, которые образуют  органическое вещество изнеорганического, используяэнергию солнца (фотосинтез) или энергию окисления различных неорганических веществ (хемосинтез).	Гетеротрофные организмы, которые потребляют готовоеорганическое вещество,созданное автотрофами.	Гетеротрофные организмы, потребляющие мертвые органические остатки и подвергающие их минерализации. Превращают органику обратно в неорганику, которую потом снова могут использовать продуценты. Круг замкнулся, ничего не пропадет и не закончится. Поэтому жизнь на Земле не прекращается.
Это растения, цианобактерии, хемосинтезирующие бактерии (серобактерии, железобактерии и т.д.).	Это человек, животные, растения и грибы паразиты.	Это грибы и бактерии.

Видовая и пространственная структуры экосистемы

Есть две основные характеристики экосистем, позволяющие всесторонне анализировать любую из них.

Видовая структура биогеоценоза — это видовое разнообразие экосистемы, соотношение видов по численности и плотности. 

Это как ассортимент товаров в магазине, или книг в библиотеке.

Существуют биоценозы богатые и бедные видовым составом:

• Где условия оптимальны для большинства организмов, там наблюдается большое разнообразие видов.
• Где условия очень суровые, видовой состав беден, могут проживать только узко адаптированные живые организмы. 

Если вид преобладает над численностью других видов в сообществе, его называют эдификатором. 

Например, мы гуляем в сосновом лесу. Вокруг нас большое количество сосен, по сравнению с другими растениями, следовательно, эдификатором является сосна.

Самый инопланетный уголок Земли — где он находится? В Индийском океане находится небольшой архипелаг Сокотра. В результате геологической изоляции архипелага и постоянному жаркому климату с небольшим количеством осадков здесь возникла уникальная и удивительная экосистема. На Сокотре насчитали около 800 видов растений, причем больше трети из них нигде больше не встречаются. Поэтому его называют иногда самым инопланетным уголком Земли.

Пространственная структура биогеоценоза — это расположение видов в вертикальном (ярусность) и горизонтальном (мозаичность) направлениях. 

Будто бы расположение товаров на полках того же самого магазина, или книг в разных отделах на стеллажах библиотеки.

Ярусы образуют надземные и подземные вегетативные органы растений. Так растения могут более эффективно использовать ресурсы окружающей среды. Они как бы негласно распределяют между собой «место под солнцем», чтобы всем хватало света и питательных веществ.

Появление мозаичности, то есть горизонтального распределения организмов в сообществе, связано с рельефом, деятельностью человека, животных или растений. Например, вырубка деревьев, вытаптывание травы, выбросы почвы и т.д.

Внутри какого вулкана вовсю кипит жизнь? На одном острове Гвинеи находится потухший вулкан Босави. В 2009 году группа ученых и телевизионная команда ВВС спустилась в кратер вулкана. Они обнаружили нетронутую экосистему, которая образовалась около 200 000 лет назад. Было обнаружено 40 новых видов животных.

Трофические уровни. Цепи и сети питания, их звенья

В любой экосистеме происходит круговорот веществ и поток энергии. Эти процессы проходят на трофических уровнях. 

Трофический уровень — это совокупность организмов, которые имеют один тип питания.

Первый трофический уровень представлен продуцентами – фотосинтезирующими растениями и хемосинтезирующими бактериями. Они являются непосредственным источником органических веществ и энергии для консументов 1 порядка – растительноядных животных, которые образуют второй трофический уровень. Ими, в свою очередь, питаются вторичные консументы – хищные гетеротрофы, или консументы 2-го, 3-го и т.п. порядка. 

На последнем трофическом уровне располагаются редуценты – организмы, которые способствуют разложению останков других живых организмов, тем самым расщепляя органические вещества вновь до неорганических. К ним относятся, например, дождевые черви, грибы, бактерии.

Последовательность видов, связанных пищевыми отношениями, образует пищевую цепь, или цепь питания.

Выделяют 2 вида цепей:

1. Пастбищная (цепь выедания).

Запомним: Пастбищная цепь всегда начинается с растений, затем идут растительноядные организмы, а затем хищники.

2. Детритная (цепь разложения).

Запомним: Детритная цепь начинается с мертвых остатков животных или растений и их выделений, вслед за которыми идут детритофаги – животные, которые питаются разлагающейся органикой (черви, личинки насекомых, двустворчатые моллюски, термиты и т.п.)

В экосистемах одновременно существует не одна, а множество подобных пищевых цепей, которые переплетаются между собой, образуя пищевую сеть.

Правило экологической пирамиды

Трофические уровни неодинаковы по составу. В экологии, чтобы изобразить схематически такие различия, используют экологические пирамиды.

Экологическая пирамида — это графическое изображение соотношений продуцентов и консументов на трофических уровнях. 

Виды экологических пирамид:

1. Пирамида чисел — показывает какое количество особей располагается на каждом трофическом уровне.

Количество особей, которые участвуют в цепи питания, с каждым звеном уменьшается.

В экосистеме леса умеренного пояса численность консументов 1 порядка (растительноядные насекомые) выше, чем продуцентов.

2. Пирамида биомассы — показывает соотношения биомассы организмов каждого трофического уровня.

Общая масса растений больше, чем масса всех растительноядных животных.

Одноклеточные водоросли небольшие по размеру и имеют короткий жизненный цикл, поэтому их биомасса всегда меньше биомассы консументов 1 порядка и последующих.

3. Пирамида энергии — показывает количество энергии, содержащейся в пище на каждом трофическом уровне. 

В 1941 году американский ученый Раймонд Линдеман сформулировал правило 10 %.

Правило 10%: с более низкого трофического уровня на более высокий уходит примерно 10% энергии.

При употреблении одних организмов другими органическое вещество и энергия переходят с одного уровня на другой. С каждым переходом количество энергии уменьшается, так как большая часть энергии была затрачена на процессы жизнедеятельности. 

Представим следующую пищевую цепочку: люцерна → бычок → человек. 

В соответствии с правилом 10 %, условно, чтобы человек набрал 1 кг массы, ему понадобится съесть 10 кг говяжьего мяса или 100 кг растений. То есть когда мы едим сочный стейк, можем смело говорить всем, что питаемся энергией солнца, которую передала трава через корову — шах и мат. 

Почему моряки не ловят моллюсков в тех месяцах, в чьих названиях встречается буква «р»? В странах, где в основном ловят рыбу и моллюсков, есть негласное правило «прекратить улов в месяцах, в названии которых встречается буква «р». Это объясняется достаточно просто. В эти месяцы начинают интенсивно размножаться жгутиконосцы — ночесветки. Они содержат яд, который для человека опасен.  Моллюски, которые употребляли этих жгутиконосцев, накапливают в своем теле яд. Поэтому в пищу потреблять моллюсков опасно для здоровья человека.

Составление схем передачи веществ и энергии (цепей питания)

Правила построения цепи питания:

1. Участников цепи питания записывают в строчку слева направо.
2. Цепь питания начинается с продуцентов.
3. После продуцентов следуют консументы 1 первого порядка (растительноядные животные), а затем консументы 2-го, 3-го и т.д. порядков (хищники).
4. Звенья пищевой цепи соединяют между собой стрелками, они показывают направление потока вещества и энергии.
5. В конце пищевой цепи могут находиться редуценты.

Задание.
Составьте цепь питания из предложенного списка организмов и определите, какой тип пищевой цепи получился в итоге.

Гусеница, ястреб, дрозд, береза, бактерии гниения.

Решение:

Цепь питания начинается с продуцентов. Продуценты — это растения.

Береза → 

Тканями дерева питаются многие виды насекомых, в нашем случае гусеница будет питаться листочками дерева. Значит, гусеница — это консумент 1 порядка и идет следующей после березы.

Береза → гусеница→

Гусеницей могут питаться хищные птицы, в предложенном списке это дрозд. Он будет консументом 2 порядка.

Береза → гусеница → дроз д→

У дроздов немало врагов. Он вполне может стать жертвой хищной птицы ястреба. Теперь ястреб становится консументом 3 порядка.

Береза → гусеница → дрозд → ястреб →

Ястреб погибает в основном по вине человека или по естественным причинам. Тело птицы минерализируют бактерии. Бактерии являются редуцентами, и они заканчивают данную пищевую цепь. 

Береза → гусеница → дрозд → ястреб → бактерии гниения.

Так как цепочка питания началась с живого растения, то это пастбищная цепь питания.

Фактчек

• Экосистема — единство живых организмов и компонентов неживой природы, в котором сообщество организмов способно поддерживать круговорот веществ, обеспечивая устойчивость и саморегуляцию.
• Сети и цепи питания образуют консументы, продуценты и редуценты экосистемы.
• Основываясь на правиле 10%, с каждым трофическим уровнем количество энергии и биомассы уменьшается на 10%. 

Проверь себя

Задание 1.
Выберите из списка организмов консумента 2 порядка экосистемы леса:

1. гриб трутовик
2. береза
3. филин
4. заяц

Задание 2.
Кто из предложенных организмов является продуцентом?

1. божья коровка
2. осина
3. ястреб
4. еж

Задание 3.
Кто из предложенных организмов является редуцентом?

1. клещ
2. гадюка
3. бактерии гниения
4. дуб

Задание 4.
Выберите детритную цепь питания:

1. дуб → жук короед → дрозд 
2. листопад → дождевой червь→ крот
3. трава → заяц→ гадюка
4. трава → тля → божья коровка

Ответы: 1. — 3; 2. — 2; 3. — 3; 4. — 2.