§ 58. Экосистемы. Круговорот веществ и поток энергии

Вопрос. Рассмотрите рис. 261. Из каких структурных компонентов состоит биогеоценоз? Каковы связи между компонентами биогеоценоза?

Ответ. Основными структурными компонентами биогеоценоза являются факторы абиотической среды – климатические (свет, температура, влага, воздух, ионный состав среды и т. п.), почвенные (почва, грунт) и биоценоз, включающий в себя продуценты, консументы и редуценты.

Вопрос 1. Что такое экосистема и биогеоценоз? В чём сходство и различие этих понятий?

Ответ. Экологическая система (экосистема) – любая совокупность совместно обитающих организмов и неорганических компонентов, при взаимодействии которых осуществляется круговорот веществ и передача энергии. Термин «экосистема» был предложен в 1935 г. английским учёным Артуром Тенсли. Позднее в 1940 г., русский учёный Владимир Николаевич Сукачёв ввёл в науку похожее понятие – биогеоценоз (от лат. biо – жизнь, ge – земля и koinos – общий).

Экосистема и биогеоценоз – понятия сходные, но не тождественные. Понятие «экосистема» более широкое. Существуют экосистемы различного масштаба: микроэкосистемы (трухлявый пень, лужа с дождевой водой, аквариум и др.); мезоэкосистемы (яблоневый сад, поле, лес, пруд, река и др.); макроэкосистемы (океан, степь, тайга и др.); глобальная экосистема (биосфера). Следовательно, экосистемы не имеют определённого объёма, охватывают пространства разной величины и могут создаваться человеком для хозяйственного использования. Биогеоценоз (ельник, дубрава, сфагновое болото, суходольный луг и др.) – это природная экосистема, границы которой определены фитоценозом, т. е. сообществом растений.

Вопрос 2. Из каких структурных компонентов состоит экосистема? Каково их значение?

Ответ. Экосистема в границах биогеоценоза состоит из абиотической среды и биоценоза.

Абиотическую среду (экотоп) экосистемы образует неживой (косный) компонент – климатоп (свет, температура, влага, воздух, ионный состав среды и т. п.) и компонент живого (биокосного) происхождения – эдафотоп (почва, грунт). Они определяют характер среды обитания, интенсивность физиологических процессов, их чередование.

Биоценоз экосистемы складывается из организмов трёх функциональных групп: продуцентов, консументов и редуцентов. Из данных компонентов складываются биотические связи в биоценозах.

Вопрос 3. Какие функциональные группы организмов различают в экосистеме? Охарактеризуйте роль организмов разных функциональных групп в поддержании экосистемы.

Ответ. Экосистема состоит из продуцентов, консументов и редуцентов.

Продуценты (от лат. producens – создающий) – производители органических веществ – автотрофные организмы, способные синтезировать эти вещества из неорганических соединений. К данной функциональной группе относят зелёные растения, фотосинтезирующие и хемосинтезирующие бактерии.

Консументы (от лат. consume – потребляю) – потребители органических веществ – гетеротрофные организмы, питающиеся продуцентами (консументы первого порядка – травоядные животные) и консументами (консументы второго, третьего и т. д. порядков – хищные животные). Растительноядные животные – например саранча, жуки-листоеды, клесты, свиристели, полёвки, зайцы, олени – потребители первого порядка; плотоядные животные – лягушки, жабы, ящерицы, змеи, насекомоядные птицы, хищные птицы и звери – потребители второго порядка, а хищные животные, кормящиеся консументами второго порядка, – потребители третьего порядка. Всеядные животные, например кабаны, могут быть консументами первого и второго порядков, а хищные, например волки, – второго и третьего порядков.

Редуценты (от лат. reducens – возвращающий), или деструкторы, – разрушители органических веществ – сапротрофные бактерии и грибы. Они потребляют мёртвые органические остатки и подвергают их минерализации (деструкции) до неорганических соединений. При этом одни из редуцентов, питаясь органическими веществами мёртвых растений, животных и микроорганизмов, вызывают их разложение и гниение. Другие редуценты минерализуют органические остатки до образования неорганических веществ – воды, углекислого газа, аммиака и минеральных солей, которые затем могут использоваться продуцентами.

Вопрос 4. Опишите круговорот веществ и поток энергии в экосистеме. Объясните, почему неправильно говорить о круговороте энергии в экосистеме.

Ответ. Основу существования экосистемы составляют происходящие в ней круговорот веществ и поток энергии, осуществляемые по трофическим уровням – группам организмов одного типа питания.

Вне зависимости от величины и степени сложности экосистемы являются открытыми системами и в большей или меньшей степени требуют постоянного притока энергии и различных веществ. В процессе жизнедеятельности организмов происходит постоянный приток энергии и круговорот веществ, причем каждый вид использует лишь часть содержащейся в органических веществах энергии. Происходит этот процесс через цепи питания (трофические уровни), представляющие собой последовательность видов, извлекающих органические вещества и энергию из исходного пищевого вещества; при этом каждое предыдущее звено становится пищей для следующего.

Число трофических уровней в экосистемах ограниченно, что связано с потерей энергии на каждом из них. Энергия, накопленная продуцентами, к последнему трофическому уровню практически иссякает, поэтому круговорота энергии в экосистеме, в отличие от круговорота веществ, не происходит. Существует лишь однонаправленный поток энергии, связанный с её превращением и расходованием организмами на каждом трофическом уровне.

Вопрос 5. Что такое трофический уровень экосистемы? Какие организмы входят в состав разных трофических уровней экосистем? Объясните, с чем связано ограничение числа трофических уровней в экосистемах (используйте рис. 262).

Ответ. Трофический уровень – это совокупность организмов одного типа питания.

Первый трофический уровень составляют автотрофные организмы (в основном фотосинтезирующие растения – продуценты), создающие органические вещества из неорганических за счёт солнечной энергии. Второй трофический уровень образован травоядными животными, т. е. консументами первого порядка (гусеницы бабочек, мыши, полёвки, зайцы и т. п.), потребляющими органические вещества, созданные продуцентами. Третий трофический уровень занимают плотоядные животные – консументы второго порядка (хищные насекомые, насекомоядные птицы и т. п.), потребляющие травоядных животных. Четвёртый трофический уровень образуют плотоядные животные, т. е. консументы третьего порядка (хищные птицы и звери).

При поедании одних организмов другими органические вещества пищи и заключённая в них энергия переходят с одного трофического уровня на другой. При этом значительная часть пищи организмами не усваивается. Органические вещества усвоенной части пищи расходуются на дыхание, а освобождаемая при этом энергия затрачивается на другие процессы жизнедеятельности. Большая часть этой энергии рассеивается в виде тепла. В среднем с одного трофического уровня на другой от растений к растительноядным животным в экосистеме передаётся около 10% органических веществ и заключённой в них энергии, а от животных к животным – около 20%. Такие различия связаны с тем, что растительноядные животные в целом менее эффективно усваивают пищу, чем плотоядные, ибо растительная пища содержит большое количество трудно перевариваемой клетчатки.

Вопрос 6. Что такое трофические (пищевые) цепи экосистемы? Приведите примеры пастбищных и детритных цепей. В чём их различие?

Ответ. Круговорот веществ и передача энергии в экосистеме осуществляются по трофическим (пищевым) цепям – рядам организмов, связанных друг с другом пищевыми связями. Различают два типа трофических цепей: пастбищные, или цепи выедания, и детритные (от лат. detritus – истёртый), или цепи разложения.

Мощность энергетических потоков через цепи выедания и цепи разложения неодинакова. В водных экосистемах значительная часть энергии поступает через пастбищные цепи, где органическое вещество создают одноклеточные зелёные водоросли и цианобактерии. На суше соотношение обратное: 90% всей энергии поступает в детритные цепи через растительный опад, который образуют деревья и кустарники. Детрит затем потребляют животные-детритофаги.

Вопрос 7. Чем образована трофическая (пищевая) сеть экосистемы? Объясните, что произойдёт, если в широколиственном лесу исчезнут: а) все крупные растительноядные копытные звери: олени, лоси, кабаны; б) растительноядные насекомые.

Ответ. Трофические цепи образуют в экосистеме трофическую (пищевую) сеть – сложное переплетение нескольких пищевых цепей, где организмы – звенья одной цепи – являются составными частями другой цепи. Выпадение одного звена не приводит к гибели экосистемы, его заменяет организм с похожими экологическими характеристиками.

В широколиственном лесу исчезновение в большинстве наших дубрав всех крупных растительноядных копытных: оленей, косуль, лосей – слабо отразилось бы на общей экосистеме, так как их численность, а, следовательно, биомасса никогда не была большой и не играла существенной роли в общем круговороте веществ.

Если исчезнут растительноядные насекомые:

• численность насекомоопыляемых растений резко сократится, так как растительноядные насекомые являются опылителями растений;

• резко сократится численность или исчезнут насекомоядные организмы потому, что произойдет нарушение цепей питания.