Биоценоз, биогеоценоз, экосистема

Основной объект изучения экологии – экологическая система, или экосистема – совокупность взаимосвязанных и взаимозависимых совместно обитающих различных видов живых организмов и условий их существования.

В экосистеме связаны биоценоз (сообщество совместно живущих организмов) и биотоп (среда обитания).

Экосистемы могут быть разными по размеру, к ним относятся простые искусственные экосистемы (аквариум, теплица), так и сложные естественные комплексы организмов с их средой (озеро, океан, биосфера). Поэтому для обозначения элементарной природной экосистемы академик В. Н. Сукачев в 1944 г. предложил понятие «биогеоценоз», считая его основной наиболее активной единицей биосферы.

Биогеоценоз (от «биос» – жизнь, «Ге» – Земля, «ценоз» – общий) по Сукачеву В. Н.- «это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий), имеющая свою особую специфику взаимодействий этих слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией их между собой и с другими явлениями природы и представляющая собой внутренне противоречивое диалектическое единство, находящееся в постоянном движении, развитии» [24].

В соответствии с этой формулировкой биогеоценоз включает две главные составляющие: совокупность на определенной территории абиотических факторов, т. е. экотоп (от греч. «топос» - место) и совокупность биотических факторов (биоценоз), (рисунок 1.5). Особенностью биогеоценоза является его однородность. Понятие «экосистема» шире «биогеоценоза», например, земляничная поляна (биогеоценоз) в экосистеме леса.

Автором термина «экосистема» является английский ботаник А. Тэнсли, который ввел его в 1935 г. Примером экосистем могут служить пресноводное озеро и лес вокруг него. Между ними нет четкой границы, а есть зона перехода от одной системы к другой, где лесные растения и животные постепенно исчезают и появляются растения и животные другой системы. Эти переходные зоны называются экотонами.

При классификации наземных экосистем часто в ее основу кладут тип ландшафта, т. е. территория, которая характеризуется суммой типичных признаков и включает определенный набор биогеоценозов.

Таких типов экосистем десять на всех континентах, главными из них являются тундра, хвойные северные леса, лиственные леса, влажные и сухие тропические леса, прерии, саванны и пустыни.

Все экологические системы существуют длительное время, иногда сотни лет, причем отдельные популяции увеличиваются, численность других уменьшается, но система находится в равновесии. Это состояние подвижно-стабильного равновесия экосистемы называется гомеостазом («гомео» – подобный, сходный, «стазис» – состояние).

Гомеостаз в природных системах поддерживается тем, что из окружающей среды непрерывно поступает информация, экосистема открыта, накопление вещества сопровождается распадом.

Любая природная экосистема медленно меняется во времени в первую очередь в части биоты, т. е. живых организмов.

Эта последовательная смена биоценозов, преемственно возникающих на одной и той же территории (биотопе) под влиянием природных факторов или воздействия человека называется сукцессией (от лат. «сукцедо» – следую).

Так, на свежей вырубке, вначале появляются травянистые растения, затем – всходы деревьев и кустарников – светолюбивых и быстрорастущих, обычно – лиственных; далее – под их пологом растут хвойные деревья. Завершающее сообщество - устойчивое, самовосстанавливающееся и находящееся в равновесии со средой - называется климаксным (от греч. «klimax», лестница).

Климакс - стабильное, конечное состояние развития экосистемы в условиях данной среды.

Положение вершины кривой указывает на условия, оптимальные (наилучшие) для данного пpоцесса. Для некоторых видов живых организмов характерны кривые с очень острыми пиками (узкий диапазон толерантности). Это означает, что вид обитает в узких гpаницах изменений того или иного. экологического фактора

Рисунок 1.6 - Схема биогеоценоза (по В. Н. Сукачеву)

Сукцессия, которая начинается на лишенном жизни месте, например, на обнаженной горной породе или другой поверхности, лишенной почвы (песчаные дюны, бывшее ложе ледника), называется первичной сукцессией. В отличие от нее вторичной называют сукцессию, начинающуюся там, где поверхность полностью или в значительной степени лишена растительности, но прежде находилась под влиянием живых организмов и содержит органические вещества. Примером вторичной сукцессии являются, например, лесные вырубки, выгоревшие участки или заброшенные сельскохозяйственные угодья. Здесь в почве могут сохраняться семена, споры и органы вегетативного размножения, например, корневища, которые будут оказывать влияние на сукцессию. Как при первичной, так и при вторичной сукцессиях, флора и фауна окружающих территорий являются главным фактором, определяющим типы растений и животных, включающихся в сукцессию в результате случайного расселения и миграций. К типичным наземным климаксным сообществам относятся листопадные леса.

В экосистемах первичное органическое вещество образуется в процессе фотосинтеза зелеными растениями, поглощающими солнечную энергию. Энергия фотонов преобразуется в энергию химических связей, при этом выделяется свободный кислород в атмосферу и поглощается диоксид углерода. Благодаря растениям поддерживается стабильный газовый состав атмосферы. Процесс фотосинтеза проходит с участием поглощающих свет пигментов (хлорофиллов) по формуле:
6 CO₂ + 12H₂O -^E-> C₆H₁₂O₆ + 6O₂ +6H₂O
хлорофилл углеводы

Фотосинтез - единственный биологический процесс, который идет с увеличением свободной энергии и прямо или косвенно обеспечивает доступной химической энергией все земные организмы. Молекула, с помощью которой растения улавливают световую энергию, необходимую для фотосинтеза, представляет собой зеленый пигмент- хлорофилл, поэтому все фотосинтезирующие растения зеленого цвета (и микроскопические одноклеточные водоросли и огромные деревья). Хлорофилл поглощает световую энергию, сосредоточенную в видимом спектре с длиной волны от 0,4 до 0,69 мкм (голубой и красные цвета). Следовательно, зная состав солнечного излучения, можно утверждать, что теоретически в реакцию фотосинтеза может вовлекаться не более 10% солнечной энергии (реальная цифра еще меньше- 1- 2%). В результате фотосинтеза растительность земного шара ежегодно образует более 100 млрд. т органического вещества. Около половины этого количества приходится на долю фотосинтеза растений морей и океанов.

Именно благодаря растениям на Земле началось бурное развитие различных форм жизни и активный обмен веществом и энергией между живой и неживой природой. Растения ежегодно запасают в результате фотосинтеза энергию, равную 20,9*10²² кДж.

Помимо растений, бактерии также могут синтезировать органическое вещество из неорганических соединений, используя энергию, освобождающуюся при химических реакциях – это хемотрофы. К ним относятся серобактерии, железобактерии, пурпурные бактерии. Животные не могут аналогично растениям синтезировать вещество из солнечной энергии, они используют эту энергию через вещество растений.