Лекция 3. Основы синэкологии. Экосистемы.

План

1. Структура и организация экосистемы

2. Взаимосвязи в экосистеме

3. Энергетические потоки в экосистеме

4. Продуктивность экосистем

Структура и организация экосистемы

Экосистема (биогеоценоз) – совокупность разных организмов и неживых компонентов среды, тесно связанных между собой потоками вещества и энергии.

Главным предметом исследования при экосистемном подходе в экологии становятся процессы трансформации вещества и энергии между биотопом и биоценозом, то есть возникающий биогеохимический круговорот веществ в экосистеме в целом.

К экосистемам можно отнести биотические сообщества любого масштаба со средой их обитания (например, от лужи до мирового океана, от гнилого пня до обширного лесного массива тайги).

В связи с этим выделяют уровни экосистем

Уровни экосистем:

1. микроэкосистемы (трухлявый пень с насекомыми, микроорганизмами и грибами, обитающими в нём; цветочный горшок);

2. мезоэкосистемы (пруд, озеро, степь и др.);

3. макроэкосистемы (континент, океан);

4. глобальная экосистема (биосфера Земли).

Экосистема – целостная система, в состав которой входят биотические компоненты и абиотические. Они взаимодействуют между собой. Все экосистемы являются открытыми системами и функционируют, потребляя солнечную энергию.

Абиотические компоненты включают неорганические вещества, которые включаются в круговороты, органические соединения, которые связывают биотическую и абиотическую часть: воздушную, водную, субстратную среду.

Биотические компоненты экосистемы имеют видовую, пространственную и трофическую структуру.

Пространственная структура экосистемы проявляется в ярусности: автотрофные процессы наиболее активно протекают в верхнем ярусе – «зеленом поясе», где доступен солнечный свет. Гетеротрофные процессы наиболее интенсивны для нижнего яруса. – «коричневого пояса». Здесь в почвах и осадках накапливаются органические вещества.

Трофическая структура экосистемы представлена продуцентами – производителями органического вещества и консументами – потребителями органического вещества, а также редуцентами – разрушающими органические соединения до неорганических. Экосистема может обеспечить круговорот вещества только в том случае, если включает необходимые для этого четыре составные части: запасы биогенных элементов, продуценты, консументы и редуценты. Продуценты – автотрофы, консументы – геторотрофы. Гетеротрофы делятся на фаготрофы (питаются другими организмами) и сапрофиты, деструкторы (бактерии и грибы, разлагающие мертвые ткани).

В любой экосистеме происходит взаимодействие автотрофных и гетеротрофных компонентов в процессе круговорота веществ. Вещество и энергия на каждом этапе трофической цепи теряется до 90%, только 10 % переходит к очередному потребителю (правило 10 процентов). Скорость создания органического вещества в экосистемах – биологическая продукция, зависит от энергии Солнца. Биологическая продукция экосистем – это скорость создания в них биомассы. Продукция растений первичная, животных – вторичная. В любом биоценозе продукция каждого трофического уровня меньше предыдущего в 10 раз. Биомасса растений больше биомассы травоядных, масса хищников в 10 раз меньше массы травоядных (правило пирамиды биологической продукции). В океанах одноклеточные водоросли делятся с большей скоростью и дают высокую продукцию. Но их общее количество меняется мало, потому что с меньшей скоростью их поедают фильтраторы. Водоросли еле успевают размножаться, чтобы выжить. Рыбы, головоногие моллюски, крупные ракообразные растут и размножаются медленнее, но еще медленнее поедаются врагами, поэтому их биомасса накапливается. Если взвесить все водоросли и всех животных океана, то последние перевесят. Пирамида биомасс в океане оказывается перевернутой. В наземных экосистемах скорость выедания растительного прироста ниже и пирамида биомасс напоминает пирамиду продукции. Наименее продуктивные экосистемы жарких и холодных пустынь и центральных частей океанов. Среднюю продукцию дают леса умеренного пояса, луга и степи. Самый высокий прирост растительной массы – в тропических лесах, на коралловых рифах в океане.

Взаимосвязи в экосистеме

Экологические взаимодействия популяций и отдельных организмов в экосистеме носят вещественно-энергетический и информационный характер. Прежде всего, это трофические (пищевые) взаимодействия, которые приобретают разные формы: травоядность – фитофагия; плотоядность – зоофагия, поедание одними животными других, включая и хищничество.

Популяции травоядных, хищных и всеядных животных являются потребителями органического вещества – консументами, которые могут быть первичными, вторичными, третичными. Растения – продуценты.

Одними из наиболее исследованных экологических связей являются между популяциями хищника и жертвы. Хищничество - это способ добывания пищи и питания животных. Значение хищников для популяции жертвы положительно, т.к. хищники в первую очередь истребляют больных и слабых особей. Это способствует сохранению видового разнообразия, т.к. регулирует численность популяций низких трофических уровней.

Симбиоз (мутуализм). Почти все виды деревьев сожительствуют с микрозными грибами. Грибной мицелий оплетает тонкие участки корней, проникает в межклеточное пространство. Масса тончайших грибных нитей выполняет функцию корневых волосков, насасывая питательный почвенный раствор.

Паразитизм– форма взаимоотношений двух организмов, при котором один из партнеров – паразит использует другого – хозяина в качестве среды обитания или источника пищи. Паразитизм известен у всех групп живых существ – от вирусов и бактерий до высших растений и многоклеточных животных.

Конкуренция – еще один вид взаимоотношений. Закономерности конкурентных отношений называются – принцип конкурентного исключения: два вида не могут устойчиво существовать в ограниченном пространстве, если рост численности лимитирован одним жизненно важным ресурсом.

Если совместно живущие виды связаны только через цепь других видов и не взаимодействуют, уживаясь в одном сообществе, то их отношения называют нейтральными. Синицы и мыши в одном лесу нейтральные виды.

протокооперация(содружество)

Комменсализм(один извлекает пользу)

Аменсализм (один вид угнетает рост другого)

Энергетические потоки в экосистеме

Природные экосистемы – это открытые системы: они должны получать и отдавать вещества и энергию.

Внутри экосистем происходит непрерывный круговорот вещества и энергии. Стадии этого круговорота обеспечиваются различными группами организмов, выполняющих различные функции:

1. Продуценты (от лат. producentis – производящий, создающий) организмы, образующие органические вещества из неорганических. В первую очередь, это растения, создающие в процессе фотосинтеза из воды и углекислого газа глюкозу, используя энергию солнца.

а) в океане и других водоёмах продуцентами являются микроскопические водоросли

фитопланктон, а также крупные водоросли.

б) на суше – это крупные высшие растения (деревья, кустарники, травы).

2. Консументы(от лат. consume – потребляю) – организмы, живущие за счёт органического вещества, созданного продуцентами. К консументам относят всех животных, поедающих растения и друг друга.

а) консументы I порядка – фитофаги (травоядные животные – копытные, грызуны, некоторые насекомые);

б)консументы II порядка – плотоядные животные (насекомоядные птицы и млекопитающие, амфибии, рыбы);

в)консументы III порядка – крупные хищники (хищные рыбы, птицы, млекопитающие).

3. Редуценты (от лат. reducentis – возвращающий, восстанавливающий) – организмы, получающие энергию путём разложения отмершей органики (детрита), при этом редуценты высвобождают неорганические элементы для питания продуцентов. К ним относят бактерии, грибы.

В результате взаимодействия этих групп организмов происходит круговорот вещества и энергии в экосистеме

Круговорот вещества и энергии в экосистеме: