Раздел 2. Экосистема

Определения и обозначения

Экосистема — единство живых организмов и среды их обитания, связанных обменом веществ и потоком энергии. Это понятие помогает рассматривать вместе и сообщество, и условия его существования: организмы зависят от среды и одновременно изменяют её.

Биоценоз — совокупность популяций разных видов, совместно обитающих на определённой территории. Термин нужен, чтобы обозначить живую часть экологической системы и понять, какие виды взаимодействуют в сообществе.

Биотоп — участок среды с характерными условиями, в котором существует биоценоз. К его признакам относятся, например, влажность, освещённость, температура и состав почвы или воды; они влияют на то, какие организмы могут жить на этом участке.

Трофический уровень — место организмов в цепи питания, определяемое способом получения пищи. По уровням удобно прослеживать передачу органического вещества и энергии от организмов, которые создают пищу, к тем, кто её потребляет.

Как это устроено

Экосистема включает не только организмы, но и неживую среду: вода, воздух, почва, свет и температура определяют условия жизни. Организмы используют ресурсы среды, а сами влияют на её свойства — например, растения поглощают воду и выделяют кислород. Поэтому живую и неживую части нельзя рассматривать как независимые: между ними постоянно идёт обмен веществом и воздействие друг на друга. Совместно они образуют систему, где изменение одного компонента может отразиться на остальных.

Производители создают органические вещества из неорганических, используя энергию света или химических реакций. Потребители не могут создавать такую пищу самостоятельно и получают её, поедая растения или других животных. Когда организмы погибают или выделяют отходы, разрушители расщепляют органические остатки. Так минеральные вещества возвращаются в среду и становятся доступными производителям; без этого запасы нужных веществ постепенно накапливались бы в остатках.

Пищевые цепи показывают последовательность передачи пищи: каждый организм служит источником вещества и энергии для следующего. В природе у большинства видов несколько пищевых связей: например, один хищник может охотиться на разные виды добычи, а на одну добычу могут охотиться разные хищники. Поэтому отдельные цепи переплетаются и образуют пищевую сеть. Сеть точнее отражает реальные отношения и объясняет, почему изменение численности одного вида способно повлиять на несколько других.

Вещество не исчезает после того, как организм съеден или погиб: оно переходит между организмами, остатками и средой. Разрушители помогают вернуть минеральные вещества в почву или воду, откуда их снова используют производители. Энергия ведёт себя иначе: она поступает, например, от Солнца, передаётся по пищевым связям и в конце рассеивается в виде тепла. Поэтому для поддержания процессов экосистеме требуется постоянный приток энергии, а не её круговорот.

Организм использует значительную часть полученной энергии на движение, рост, поддержание жизнедеятельности и выделение тепла; не вся пища становится биомассой, доступной следующему потребителю. Поэтому при переходе с одного трофического уровня на другой передаётся лишь небольшая доля энергии — часто для оценки используют правило около 10%. Чем выше уровень, тем меньше энергии остаётся для организмов на нём. Это ограничивает длину пищевых цепей: на дальних звеньях обычно недостаточно ресурсов для поддержания многочисленных популяций.

Компоненты экосистемы и их роль

Чтобы определить роль организма, выясните, откуда он получает пищу: создаёт органические вещества, питается производителями или поедает других потребителей. Разрушителей отличают по способности разлагать органические остатки. Неживые компоненты не питаются, но задают условия, в которых возможна жизнь.

Разбор задач

Задача 1. Распределите организмы луга — траву, кузнечика, лягушку, уж и бактерии — по ролям в экосистеме и составьте возможную цепь питания.

1. Трава создаёт органические вещества, поэтому это производитель. Кузнечик ест растения и относится к потребителям первого порядка.
2. Лягушка может питаться кузнечиками, а уж — лягушками; оба являются потребителями последующих порядков. Бактерии разлагают остатки организмов и относятся к разрушителям.
3. Соединяем организмы по направлению передачи пищи: сначала производитель, затем растительноядное животное, после него хищники. Разрушители перерабатывают остатки всех звеньев.

Ответ: трава — производитель, кузнечик — потребитель первого порядка, лягушка и уж — потребители последующих порядков, бактерии — разрушители. Возможная цепь: трава → кузнечик → лягушка → уж; бактерии разлагают остатки организмов.

Задача 2. В цепи «растения → гусеницы → птицы» растения накопили 20 000 кДж энергии. Оцените, сколько энергии может перейти к птицам, если на каждом уровне передаётся около 10%.

1. Сначала определяем, сколько энергии получат гусеницы: 10% от 20 000 кДж, то есть 2 000 кДж.
2. Птицам достанется около 10% энергии гусениц. Умножаем 2 000 кДж на 0,1 и получаем 200 кДж.
3. Проверяем, что выполнены два перехода: от растений к гусеницам и от гусениц к птицам. Значит, долю нужно применить дважды, а не один раз.

Ответ: к птицам может перейти около 200 кДж энергии.

Задача 3. В пруду резко сократилась численность хищных рыб. После этого стало больше мелких рыб и меньше зоопланктона. Объясните последовательность изменений и укажите, почему последствия могут затронуть водоросли.

1. Мелкие рыбы становятся добычей хищных рыб. Когда хищников меньше, давление на мелких рыб ослабевает, поэтому их численность может вырасти.
2. Многие мелкие рыбы питаются зоопланктоном. Увеличившаяся популяция мелких рыб потребляет его больше, и количество зоопланктона сокращается.
3. Зоопланктон может питаться водорослями. Если его стало меньше, поедание водорослей ослабевает, поэтому их численность может измениться, например увеличиться; точный результат зависит и от других связей в пруду.

Ответ: сокращение хищных рыб может вызвать рост мелких рыб и уменьшение зоопланктона. Из-за изменения численности потребителей зоопланктона может измениться и численность водорослей.

Типичные ошибки

Считать экосистемой только сообщество организмов. Так поступают, когда сосредоточиваются лишь на живых видах и забывают, что условия среды также участвуют в обмене веществ и влияют на жизнь. Проверьте себя: названы ли вода, воздух, почва или другие условия, а также связи организмов со средой? Если нет, описание экосистемы неполное.

Смешивать понятия «экосистема» и «биоценоз». Их легко перепутать, потому что оба понятия связаны с совместной жизнью видов. Но биоценоз включает живые организмы, а экосистема — ещё и биотоп, то есть неживую среду. Для проверки мысленно спросите, входит ли в названный объект, например, вода пруда: если входит, речь идёт об экосистеме.

Представлять пищевую цепь как замкнутый круговорот энергии. Ошибка возникает из-за того, что круговорот вещества и передача энергии происходят одновременно. Вещество может вернуться в среду и быть использовано снова, а энергия передаётся дальше и рассеивается. Проверьте направление: энергия не возвращается по цепи к её началу.

Полагать, что на следующий трофический уровень переходит вся энергия. Это кажется правдоподобным, если считать, что вся съеденная пища превращается в тело потребителя. В действительности часть энергии расходуется на жизнедеятельность и рассеивается, поэтому передаётся только доля. Самопроверка проста: при переходе к каждому следующему уровню доступная энергия должна уменьшаться.

Связь с другими темами

Для изучения экосистем пригодятся понятия популяции и среды обитания, а также представление об обмене веществ в организме. Знание пищевых связей и движения энергии помогает разобраться в круговороте веществ, экологических пирамидах и устойчивости экосистем. Тема связана и с эволюцией: взаимодействия организмов и условия среды влияют на выживание и численность видов. Поэтому экологические связи помогают понять, почему одни виды сохраняются, а другие меняют численность.

Что запомнить

• Экосистема объединяет живые организмы и неживую среду.
• Биоценоз — живая часть экосистемы, биотоп — место её обитания.
• Производители создают органические вещества, используя энергию света или химических реакций.
• Потребители получают органические вещества с пищей, а разрушители разлагают остатки организмов.
• Пищевые цепи образуют пищевые сети.
• Вещество в экосистеме совершает круговорот, а энергия передаётся в одном направлении и рассеивается.
• При переходе между трофическими уровнями доступной энергии становится меньше.