§ 30. Экосистема: устройство и динамика

Определения и обозначения

Экосистема — сообщество организмов вместе со средой обитания, связанных обменом веществ и потоком энергии. Это целостная система: изменения одной части могут повлиять на другие. Связи и обратные реакции помогают ей сохранять относительную устойчивость и саморегулироваться.

Биотоп — относительно однородная часть среды, условия которой подходят живущему там сообществу. К основным абиотическим факторам относятся свет, температура, вода, свойства почвы и состав воздуха. Это понятие помогает описать неживые условия существования организмов.

Биоценоз — совокупность популяций разных видов, совместно обитающих на одной территории и взаимодействующих друг с другом. В него входят, например, растения, животные, грибы и микроорганизмы. Понятие позволяет говорить о живой части экосистемы и связях между её обитателями.

Трофический уровень — положение организма в пищевой цепи, определяемое тем, как он получает пищу и энергию. Растения обычно занимают первый уровень, а питающиеся ими животные — следующий. Уровни нужны, чтобы проследить передачу вещества и энергии между организмами.

Как это устроено

Экосистема складывается из биотопа и биоценоза: условия среды определяют, какие организмы могут жить на данной территории, а организмы, в свою очередь, меняют среду. Например, растения затеняют почву и удерживают в ней влагу, а животные распространяют семена. Поэтому изменение температуры, освещённости или влажности может изменить состав сообщества и численность его видов. Саморегуляция поддерживает относительное равновесие, но не отменяет влияния сильных или длительных изменений.

По роли в обмене веществ организмы делят на продуцентов, консументов и редуцентов. Продуценты, прежде всего растения и водоросли, используют энергию света и неорганические вещества, чтобы создавать органическое вещество. Консументы получают его, поедая растения или других животных, а редуценты разлагают остатки организмов до минеральных соединений. Так вещества возвращаются в среду и снова могут использоваться продуцентами.

В пищевой цепи каждый организм служит пищей для следующего, а в природе цепи переплетаются в пищевые сети. Вместе с пищей передаются вещества и заключённая в органическом веществе энергия. Вещество многократно включается в круговорот, тогда как энергия проходит через экосистему в одном направлении и постепенно рассеивается в виде тепла. Поэтому на следующий трофический уровень поступает меньше доступной энергии, чем было на предыдущем.

Пищевые связи можно изобразить экологическими пирамидами чисел, биомассы и энергии. Пирамида чисел показывает количество организмов, биомассы — суммарную массу живого вещества, а энергии — её запас или поток на каждом уровне. Их форма различается, потому что организмы неодинаковы по размеру, численности и скорости обновления. Например, одно дерево может прокормить множество насекомых, поэтому пирамида чисел не всегда имеет широкое основание.

Экосистемы изменяются на разных временных масштабах: в течение суток и сезонов меняются освещённость, активность организмов и доступность ресурсов. Численность популяций тоже колеблется, например из-за изменения количества пищи или воздействия хищников. Более длительная закономерная смена сообществ называется сукцессией. Она происходит потому, что организмы меняют условия среды, а в изменившихся условиях получают преимущества другие виды.

Трофические группы организмов в экосистеме

Чтобы определить группу, выясните, откуда организм получает органическое вещество и энергию. Растение, создающее его самостоятельно, — продуцент; питающийся готовой органикой организм — консумент; разлагающий остатки — редуцент. В природе функции групп связаны: без продуцентов не было бы основы питания, а без редуцентов замедлялся бы возврат минеральных веществ.

Разбор задач

Задача 1. В лесной экосистеме перечислены берёза, гусеница, синица и гриб. Нужно распределить организмы по трофическим группам и составить возможную пищевую цепь. Начнём с источника органического вещества для каждого организма. Затем расположим участников в порядке передачи пищи.

1. Берёза сама создаёт органическое вещество при фотосинтезе, поэтому она продуцент.
2. Гусеница питается растением, значит, это консумент первого порядка. Синица может питаться гусеницей и тогда будет консументом второго порядка.
3. Гриб разлагает остатки организмов, следовательно, относится к редуцентам. Он не обязательно является очередным звеном цепи питания с синицей.

Ответ: берёза — продуцент, гусеница и синица — консументы, гриб — редуцент; возможная цепь: берёза → гусеница → синица. Стрелка показывает направление передачи вещества и энергии от пищи к потребителю.

Задача 2. Растения накопили 20 000 кДж энергии. Оценим, сколько может перейти травоядным, а затем хищникам, если на следующий уровень передаётся примерно десятая часть. Умножать на 10% нужно отдельно при каждом переходе, а не один раз для всей цепи. Полученный результат будет приближённым.

1. От растений к травоядным может перейти примерно 20 000 × 0,1 = 2 000 кДж.
2. От травоядных к хищникам передаётся около 10% уже полученной энергии: 2 000 × 0,1 = 200 кДж.
3. Сопоставим результат с исходным запасом: после двух переходов хищникам доступно около 1% от энергии растений.

Ответ: травоядным может перейти около 2 000 кДж, хищникам — около 200 кДж. Правило десяти процентов служит ориентиром: доля зависит от организмов и условий, поэтому это не точный закон для любой экосистемы.

Задача 3. Нужно проследить возможную смену сообществ после зарастания заброшенного поля и объяснить появление кустарников, а затем леса. Сукцессия не означает, что виды сменяются по единому расписанию: дальнейший ход зависит от почвы, климата, поступления семян и воздействий человека. По мере развития растительности меняются условия обитания.

1. Сначала на открытом участке закрепляются травянистые растения. Их остатки постепенно добавляют органическое вещество, а корни влияют на структуру почвы.
2. Когда условия становятся подходящими, среди трав появляются кустарники и молодые деревья. Они создают тень и укрытия, меняя возможности для других видов.
3. Если семена деревьев попадают на участок и условия позволяют им расти, постепенно формируется лесное сообщество. Изменение растительности сопровождается сменой животных и других организмов.

Ответ: возможный ряд — травянистое сообщество, затем кустарники и молодые деревья, далее лес. Это пример сукцессии, ход которой зависит от исходного состояния поля и последующих условий.

Типичные ошибки

Считать экосистемой только совокупность живых организмов — значит исключить среду и связи с неживыми компонентами. Такую ошибку допускают, когда замечают прежде всего растения и животных. Проверьте себя: в описании экосистемы должны быть и организмы, и условия их обитания, и взаимодействия между ними.

Смешивать пищевую цепь с потоком энергии и круговоротом веществ — значит считать эти процессы одинаковыми. Путаница возникает потому, что пища переносит и вещество, и энергию. Проверьте себя: вещества возвращаются в круговорот, а энергия проходит через систему и рассеивается.

Считать передачу энергии стопроцентной или всегда равной ровно 10% — неверно. Ориентир в десять процентов удобен для примерных расчётов, но реальная доля зависит от условий и организмов. Проверьте себя: в задаче с таким правилом используйте слова «примерно» и не представляйте результат как точное значение.

Представлять сукцессию как простое возвращение к неизменному состоянию — значит игнорировать изменение среды и состава сообщества. Такое представление возникает, если воспринимать любое изменение природы как восстановление прежнего вида. Проверьте себя: учитывайте исходные условия и воздействия, от которых зависят направление и итог смены сообществ.

Связь с другими темами

Для понимания экосистем пригодятся знания о популяции и виде, среде обитания, факторах среды и взаимосвязях организмов. Популяция показывает, как устроена группа особей одного вида, а связи между видами помогают понять пищевые сети и динамику сообщества. Эти понятия позволяют объяснить, почему изменение одного фактора может повлиять на численность организмов.

Тема связана с изучением биосферы и круговоротов веществ: местные экосистемы входят в более крупную систему обмена веществ и энергии. Она также помогает разбирать продуктивность экосистем и последствия хозяйственной деятельности человека. Изменение среды или удаление видов способно перестроить пищевые связи и ход сукцессии.

Что запомнить

• Экосистема объединяет живые организмы и среду их обитания.
• Биоценоз составляет живую часть экосистемы, биотоп — условия и место обитания.
• Продуценты создают органическое вещество, консументы его потребляют, редуценты разлагают остатки.
• Пищевые цепи показывают передачу вещества и энергии между организмами.
• Вещество в экосистеме участвует в круговороте, а энергия при переходах рассеивается.
• Сукцессия — закономерная смена сообществ во времени.