61. Природные экосистемы

Определения и обозначения

Природная экосистема — единство живых организмов и среды их обитания, связанных обменом веществ и потоком энергии. Например, в лесу растения, животные, грибы, почва и вода влияют друг на друга. Это понятие помогает рассматривать не отдельный вид, а целую работающую систему.

Биогеоценоз — природная система организмов и абиотической среды на однородном участке территории, связанная круговоротом веществ. Абиотическая среда — это неживые условия: свет, температура, вода, почва и другие факторы. Понятие используют, когда важно связать конкретное сообщество с его местом обитания.

Биоценоз — сообщество популяций разных видов, совместно обитающих на одной территории. В лесном биоценозе это, например, растения, насекомые, птицы, млекопитающие и микроорганизмы. Термин обозначает именно живую часть системы, а не почву, воду или климат.

Биотоп — участок среды с относительно однородными условиями, в котором существует биоценоз. Так, мелководье пруда может отличаться от его глубоководной части освещённостью и температурой. Понятие позволяет описать условия, в которых складывается определённое сообщество.

Как это устроено

В экосистеме организмы выполняют разные роли. Продуценты образуют органическое вещество из неорганических веществ, консументы получают его, питаясь растениями или другими животными, а редуценты разлагают остатки и отходы. Благодаря этому вещество не исчезает после гибели организма, а снова становится доступным для продуцентов. Если одно звено выпадает, меняются доступность пищи и численность видов, связанных с ним.

Главный источник энергии для большинства природных экосистем — Солнце. Растения и водоросли улавливают часть солнечной энергии и запасают её в органическом веществе, которое затем передаётся по цепям питания. На каждом этапе часть энергии расходуется организмами и рассеивается как тепло, поэтому она не возвращается к началу цепи. Атомы же углерода, азота и других элементов переходят между организмами и средой, образуя круговороты веществ.

Климат задаёт температурные условия и количество осадков, от которых зависят доступность воды и возможности роста организмов. Почва снабжает растения водой и минеральными веществами, а её состав влияет на то, какие виды смогут укорениться. В водоёмах важны глубина, освещённость, температура и содержание растворённых веществ. Рельеф меняет сток воды, освещённость и местные условия, поэтому даже соседние участки могут иметь разные сообщества.

Разнообразие видов создаёт множество пищевых связей, поэтому изменения одного вида могут частично компенсироваться другими связями. Если один источник пищи сокращается, некоторые консументы способны использовать альтернативный, а освободившиеся ресурсы могут поддержать другие виды. Это не означает, что экосистема неуязвима: сильное или длительное воздействие может нарушить сразу много связей. Устойчивость зависит не только от количества видов, но и от того, насколько разнообразны их роли и взаимодействия.

Природные экосистемы складываются в результате природных процессов, а искусственные создаются или поддерживаются человеком. В природных сообществах часто больше видов и сложнее пищевые связи, поэтому вещества и ресурсы могут использоваться разными организмами. На поле или в саду видов обычно меньше, а отдельные виды специально поддерживают посадкой, поливом или борьбой с вредителями. Поэтому искусственные системы чаще нуждаются во внешнем уходе, хотя природные тоже могут меняться и не обладают безграничной саморегуляцией.

Сравнение природных экосистем

Таблица помогает увидеть, что одинаковые функциональные группы представлены разными организмами в зависимости от среды. Сравнивая экосистемы, сначала найдите их продуцентов, а затем проследите, кто ими питается и где разлагаются остатки. Указанные группы типичны, но конкретный состав зависит от условий и места.

Разбор задач

Задача 1. В лесной экосистеме перечислите биотические и абиотические компоненты и распределите организмы по трофическим группам. Сначала отделим живые компоненты от условий среды. Затем определим роль организмов не по месту обитания, а по тому, как они получают пищу и перерабатывают вещества.

1. К биотическим компонентам отнесём ель, берёзу, травы, насекомых, зайцев, лис, грибы и бактерии. К абиотическим — свет, воздух, воду, температуру, почву и рельеф. Так мы не смешиваем сообщество организмов с местом, где оно существует.
2. Ель, берёза и травы — продуценты, потому что образуют органическое вещество при фотосинтезе. Насекомые и зайцы могут быть консументами первого порядка, если питаются растениями; лисы — консументами более высоких порядков, если охотятся на животных. Точное положение зависит от конкретной пищевой цепи.
3. Грибы и многие бактерии относят к редуцентам, поскольку они разлагают органические остатки. При этом часть бактерий может иметь иные способы питания, поэтому группу определяют по функции, а не только по названию организма. Разложенные вещества возвращаются в почву и могут снова использоваться растениями.

Ответ: биотические компоненты — перечисленные организмы, абиотические — физические и химические условия леса. Растения являются продуцентами, растительноядные и хищные животные — консументами разных порядков, грибы и многие бактерии — редуцентами.

Задача 2. Составьте возможную пищевую цепь для пруда и укажите, как в ней передаются энергия и вещества. Чтобы построить цепь, начинаем с организма, который сам создаёт органическое вещество. Затем добавляем потребителей и завершаем разложением остатков редуцентами.

1. Возможная цепь: фитопланктон → зоопланктон → мелкая рыба → крупная хищная рыба. Фитопланктон выступает продуцентом, а остальные организмы — консументами. Стрелка показывает направление передачи органического вещества и энергии от пищи к потребителю.
2. Энергия, первоначально полученная фитопланктоном от Солнца, передаётся по цепи, но на каждом переходе часть рассеивается в виде тепла. Поэтому до следующего звена доходит только часть энергии, и для поддержания цепи необходимо её постоянное поступление. Энергия не возвращается к фитопланктону в виде прежнего запаса.
3. После смерти организмов и образования отходов в работу включаются редуценты. Они разлагают остатки и возвращают минеральные вещества в воду, после чего их могут использовать продуценты. Таким образом, вещества циркулируют между организмами и средой, в отличие от энергии.

Ответ: пример цепи — фитопланктон → зоопланктон → мелкая рыба → крупная хищная рыба. Энергия проходит по цепи и рассеивается, а вещества после разложения остатков возвращаются в среду и снова используются продуцентами.

Задача 3. После засухи в экосистеме сократилось число растений. Объясните возможные последствия для консументов и устойчивости сообщества. Проследим изменение от первого звена питания к следующим, не предполагая, что все виды отреагируют одинаково. Затем оценим, могут ли альтернативные пищевые связи смягчить последствия.

1. Растения — продуценты, поэтому их сокращение уменьшает образование органического вещества и количество пищи для растительноядных животных. У части консументов может снизиться численность или успешность размножения. Другие способны перейти на альтернативную пищу, если она доступна.
2. Сокращение растительноядных животных может повлиять на хищников, которым станет труднее находить добычу. Изменения распространяются по пищевым связям, но их сила зависит от того, насколько виды связаны с конкретными растениями и друг с другом. Сложная сеть питания иногда смягчает воздействие, но не отменяет нехватку ресурсов.
3. Для оценки устойчивости нужно выяснить, есть ли у организмов другие источники пищи и насколько долго сохраняется засуха. При сильном или продолжительном сокращении продуцентов могут измениться численность видов и структура сообщества. Саморегуляция помогает лишь в пределах, которые система способна выдержать.

Ответ: уменьшение растений ограничивает пищу для растительноядных консументов и может затем затронуть хищников. Альтернативные пищевые связи способны частично смягчить последствия, однако длительная засуха может нарушить устойчивость всего сообщества.

Типичные ошибки

Считать экосистемой только сообщество организмов. Так бывает, если внимание сосредоточено на видах и пищевых цепях, а условия среды кажутся лишь фоном. Но вода, почва, свет и температура влияют на жизнь организмов и связаны с обменом веществ. Проверьте себя: указали ли вы в описании и живые компоненты, и абиотическую среду?

Путать биоценоз и биогеоценоз. Оба понятия описывают систему на определённой территории, поэтому их легко смешать. Биоценоз — только сообщество организмов, а биогеоценоз включает ещё и абиотическую среду участка. Для проверки спросите себя, входят ли в названное понятие почва, вода и другие условия места.

Считать, что вещества и энергия движутся одинаково. Это заблуждение возникает потому, что и энергия, и вещества передаются вместе с пищей. Однако вещества после разложения возвращаются в среду и участвуют в круговороте, а энергия проходит через систему и рассеивается как тепло. Проверьте направление: для веществ можно показать возврат к продуцентам, для энергии — постоянное поступление извне.

Считать природную экосистему неизменной. Иногда способность к саморегуляции ошибочно принимают за отсутствие изменений. На самом деле природные факторы меняют численность видов и условия среды, а система сохраняет устойчивость лишь в определённых пределах. Чтобы проверить вывод, уточните, не предполагаете ли вы, что любое воздействие экосистема обязательно компенсирует.

Связь с другими темами

Для понимания экосистем понадобятся знания об уровнях организации живой природы, популяциях и сообществах. Роли продуцентов, консументов и редуцентов помогают объяснить, как устроено питание организмов и взаимодействие видов. Эти понятия связывают отдельные популяции с более крупной природной системой.

Тема опирается на знания о пищевых цепях, круговороте веществ и потоке энергии. Они позволяют объяснить, почему изменение одного звена может отразиться на других и откуда экосистема получает ресурсы. Эти представления пригодятся при изучении устойчивости сообществ и влияния человека на природу.

Понимание природных экосистем помогает разбираться в распределении биоразнообразия и причинах его сохранения. Оно необходимо для обсуждения охраны природных сообществ и последствий нарушения экологических связей. При оценке воздействия важно учитывать не только отдельный вид, но и его место в системе.

Что запомнить

• Экосистема объединяет живые организмы и абиотическую среду.
• Организмы экосистемы связаны пищевыми и другими взаимодействиями.
• Продуценты создают органическое вещество, консументы его потребляют, редуценты разлагают остатки.
• Энергия проходит через экосистему, а вещества совершают круговорот.
• Условия среды влияют на состав и структуру природной экосистемы.
• Разнообразие видов и связей способствует устойчивости экосистемы.
• Природные экосистемы способны к саморегуляции, но не безгранично.