Экологические системы в природе

Введение

Изучение экологии и современных экологических  проблем основано на целостном рассмотрении чрезвычайно сложных систем. В биосфере каждое событие - это одновременно и причина возникновения других событий. Вся живая природа представляет собой единую сеть вещественных, энергетических и информационных взаимодействий, организованных в виде замкнутых авторегуляторных циклов. В недрах этой системы сравнительно недавно возникла и стремительно разрослась техносфера - порождение человеческой цивилизации. Техносфера нарушила замкнутость природных круговоротов. Люди разомкнули круг жизни в биосфере, создав бесчисленные циклы и линейные цепи искусственных событий. В результате назрели главные современные проблемы: нарушение окружающей природной среды превысило предел выносливости биосферы, и человек оказался в ловушке противоречий между своей биологической сущностью и нарастающим отчуждением от природы.

Понятие системы  лежит в основе экологии. Экологическая  система - это главный объект экологии. Согласно общей теории систем под системой понимается некая мыслимая или реальная совокупность частей (элементов) со связями (взаимодействиями) между ними.

 

 

 

 

 

 

 

1. История термина

      Термин «экосистема» впервые был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тэнсли, само представление об экосистеме возникло значительно раньше. Но в системном виде подход к экосистеме стал появляться в конце прошлого века. Так, немецкий ученый Карл Мёбиус писал в 1877 г. о сообществе организмов на устричной банке как о «биоценозе», а в 1887 г. американский биолог С. Форбс опубликовал свой классический труд об озере как «микрокосме». Большой вклад в этот вопрос внесли русские и советские экологи. Так, известный ученый В.В. Докучаев (1846-1903) и его ученик Г.Ф. Морозов, специализировавшиеся в области лесной экологии, придавали большое значение представлению о «биоценозе»[1].

        В отечественной литературе по экологии осознание недостаточности биоценотического подхода при решении задач изучения и управления природными  комплектами   проявилось   в   разработке    академиком В. Н. Сукачевым в 1944 г. учения о «биогеоценозе».

Биогеоценоз –  это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений, имеющая специфику взаимодействий слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией между собой и с другими явлениями природы.[3] Понятие «экосистема» и «биогеоценоз» близки друг к другу, но не являются синонимами. [2]. Под определение биогеоценоза они не подпадают, так как им не свойственны многие признаки этого определения. Экосистема может включать несколько биогеоценозов. Таким образом, понятие «экосистема» шире, чем «биогеоценоз», то есть любой биогеоценоз является экологической системой, но не всякая экосистема может считаться биогеоценозом, причем биогеоценозы – это сугубо наземные образования, имеющие свои четкие границы.

 

2. Понятия экосистемы

       Существует несколько определений термина «экосистема», предложенные разными учеными.

1. Экосистемы – это безразмерные устойчивые системы живых и неживых компонентов, в которых совершается внешний и внутренний круговорот веществ и энергии А. Тэнсли[2]
2. Любое единство, включающее все организмы на данном участке и взаимодействующее с физической средой таким образом, что поток энергии создаёт чётко определённую трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ (обмен веществами и энергией между биотической и абиотической частями) внутри системы, представляет собой экологическую систему, или экосистему (Ю. Одум, 1971)[5].
3. Экосистема — система физико-химико-биологических процессов (А. Тенсли, 1935 год)[4].
4. Сообщество живых организмов вместе с неживой частью среды, в которой оно находится, и всеми разнообразными взаимодействиями называют экосистемой (Д. Ф. Оуэн.)[6].
5. Любую совокупность организмов и неорганических компонентов окружающей их среды, в которой может осуществляться круговорот веществ, называют экологической системой или экосистемой (В. В. Денисов).
6. Биогеоценоз— взаимообусловленный комплекс живых и косных компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергии. (В. Н. Сукачёв, 1944)[4].

 

 

3. Концепция экосистемы

        Экосистема — сложная (по определению сложных систем Л. Берталанфи) самоорганизующаяся, саморегулирующаяся и саморазвивающаяся система. Основной характеристикой экосистемы является наличие относительно замкнутых, стабильных в пространстве и времени потоков вещества и энергии между биотической и абиотической частями экосистемы[2]. Из этого следует, что не всякая биологическая система может назваться экосистемой, например, Таковыми не являются аквариум или трухлявый пень[7]. Данные биологические системы (естественные или искусственные) не являются в достаточной степени самодостаточными и саморегулируемыми (аквариум), если перестать регулировать условия и поддерживать характеристики на одном уровне, достаточно быстро она разрушится. Такие сообщества не формируют самостоятельных замкнутых циклов вещества и энергии (пень), а являются лишь частью большей системы[8]. Такие системы следует называть сообществами более низкого ранга, или же микрокосмами. Иногда для них употребляют понятие — фация (например, в геоэкологии), но оно не способно в полной мере описать такие системы, особенно искусственного происхождения.                  В общем случае в разных науках понятию «фация» соответствуют различные определения: от систем субэкосистемного уровня до понятий, не связанных с экосистемой (в геологии), либо понятие, объединяющее однородные экосистемы, или почти тождественное определению экосистемы.

        Экосистема является открытой системой и характеризуется входными и выходными потоками вещества и энергии. Основа существования практически любой экосистемы — поток энергии солнечного света[8], который является следствием термоядерной реакции, — в прямом (фотосинтез) или косвенном (разложение органического вещества) виде, за исключением глубоководных экосистем: «чёрных» и «белых»[9] курильщиков, источником энергии в которых является внутреннее тепло земли и энергия химических реакции.

4. Виды экосистем

     Все экосистемы можно разделить на два типа:

• естественные (природные); 
• антропогенные (созданными человеком).

Естественные (природные) — тундра, болота, степи, леса, луга альпийские, пресноводные водоемы, моря, экосистемы подземных вод, экосистемы высокогорных ледников, экосистемы океанических глубин. Естественные экосистемы, как правило, формируются под влиянием природных факторов, хотя человек может оказывать влияние на них.

Антропогенные (искусственные) экосистемы

       Искусственные экосистемы — это экосистемы, созданные человеком, например, агроценозы, природно-хозяйственные системы[2].

Искусственные экосистемы имеют тот же набор  компонентов, что и естественные: продуценты, консументы и редуценты, но есть существенные отличия в перераспределении потоков вещества и энергии. В частности, созданные человеком экосистемы отличаются от естественных следующим[3]:

• меньшим числом видов и преобладанием организмов одного или нескольких видов (низкая выравненность видов);
• невысокой устойчивостью и сильной зависимостью от энергии, вносимой в систему человеком;
• короткими цепями питания из-за небольшого числа видов;

незамкнутым круговоротом веществ вследствие изъятия урожая (продукции сообщества) человеком, тогда  как естественные процессы наоборот стремятся включить в круговорот как можно большую часть урожая[8].

       Без поддержания энергетических потоков со стороны человека в искусственных системах с той или иной скоростью восстанавливаются естественные процессы и формируется естественная структура компонентов экосистемы и вещественно-энергетических потоков между ними

По уровню энергетического самообеспечения экосистемы делят на:

• автотрофные экосистемы;
• гетеротрофные экосистемы;

        Автотрофные экосистемы находятся на энергетическом самообеспечении и разделяются на фотоавтотрофные — потребляющие солнечную энергию за счет продуцентов — фотоавтотрофов, и хемоавтотрофные — использующие химическую энергию за счет продуцентов — хемоавтотрофов.[1]

Большинство сельскохозяйственных экосистем  являются фотоавтотрофными. Но человек вносит в сельскохозяйственную экосистему энергию, которая называется антропогенной (удобрения, химические препараты, горючее и т. д.), но она незначительна по сравнению с солнечной.

       Гетеротрофные экосистемы используют химическую энергию, которую получают вместе с углеродом от органических веществ или от созданных человеком энергетических устройств. Примером гетеротрофной экосистемы являются океанические глубины. Животные и микроорганизмы, живущие там, существуют за счет "питательного дождя" детрита — трупов животных и останков растительных организмов, падающих на дно океана из освещенной солнцем автотрофной океанической экосистемы.[3]

        Антропогенные и гетеротрофные экосистемы очень разнообразны. Так, например, в города и промышленные предприятия энергия поступает по линиям электропередач, нефтепроводам, уголь, лес — по железной дороге и водным путем. Поступают в города также и продукты питания для горожан. Это происходит при антропогенной системе, созданной трудом человека.

Экосистемы  по размерам можно разделить на:

• микроэкосистемы (экосистема гниющего пня или дерева в лесу, прибрежные заросли водных растений);
• мезоэкосистемы (болото, сосновый лес);
• макроэкосистемы (океан, море, пустыня) [12];

Для естественной экосистемы характерны три признака:

• экосистема обязательно представляет собой совокупность живых и неживых компонентов;
• в рамках экосистемы осуществляется полный цикл круговорота веществ, начиная с создания органического вещества и заканчивая его разложением на неорганические составляющие;
• экосистема сохраняет устойчивость в течение определенного времени.

       Природные сообщества (биоценозы), входящие в состав экосистем, могут быть образованы различным числом видов. В зависимости от разнообразия видов различают:

• богатые(тропические леса, долины рек, коралловые рифы);  
• бедные (пустыни, северные тундры, загрязненные водоемы) экосистемы [23].

 

 

 

 

 

 

5. Состав экосистемы

Экосистема  состоит из:

• абиотических(неживых) ;
• биотических(живых) компонентов

Абиотические компоненты экосистемы включают различные физические и химические факторы. К важным физическим факторам относятся:

• солнечный свет;
• тень;
• испарение;
• ветер;
• температура;
• водные течения.

       Главными химическими факторами являются питательные элементы и их соединения в атмосфере, гидросфере и земной коре, необходимые в больших или малых количествах для существования, роста и размножения организмов.

Наиболее  важные для жизни химические элементы, необходимые в больших количествах, называются макроэлементами (С, О, Н, N, P, S, Ca, Mg, K, Na).

Элементы, необходимые для жизни в малых  или следовых количествах – микроэлементы (Fe, Cu, Zn, Cl) [12].

 Биотические компоненты экосистем.

       Основные типы организмов, которые формируют живые, или биотические, компоненты экосистемы, принято подразделять по преобладающему способу питания на;

• продуценты;
• консументы; 
• редуценты; 

Продуценты - это организмы, производящие органические соединения из неорганических. Продуценты (в большинстве своем зеленые растения) создают органические вещества в процессе фотосинтеза или хемосинтеза. Эти органические вещества используются продуцентами как источник энергии и как строительный материал для клеток и тканей организма[1].

Фотосинтез может быть представлен следующим образом: 

Хемосинтез – преобразование неорганических соединений в питательные органические вещества в отсутствие солнечного света, за счет энергии химических реакций. 

Только  продуценты способны сами производить  для себя пищу. Более того, они  непосредственно или косвенно обеспечивают питательными элементами консументов и редуцентов [12].

По  типу питания все продуценты являются автотрофами - сами производят органические вещества из неорганических. Консументы и редуценты по типу питания являются гетеротрофами - питаются органическим веществом, произведенным другими живыми организмами. 

Консументы – организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию, питаясь живыми организмами - продуцентами или другими консументами. 

Редуценты – организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию питаясь останками мертвых организмов (животных, растений). 

В зависимости  от источников питания консументы подразделяются на три основных класса:

• фитофаги (растительноядные) – это консументы 1-го порядка, питающиеся исключительно живыми растениями. Например, птицы едят семена, почки и листву.
• хищники (плотоядные) – консументы 2-го порядка, которые питаются исключительно растительноядными животными (фитофагами), а также консументы 3-го порядка, питающиеся только плотоядными животными.
• эврифаги (всеядные), которые могут поедать как растительную, так и животную пищу. Примерами являются свиньи, крысы, лисы, тараканы, а также человек [12].