Раздел 4. Экосистемы

Определения и обозначения

Экосистема — единство живых организмов и среды их обитания, связанных обменом веществ и энергии. Это понятие охватывает не только растения, животных и микроорганизмы, но и условия, в которых они живут. Оно помогает увидеть, как изменения в одной части отражаются на других. Например, состояние почвы влияет на растения, а растения служат пищей животным.

Биоценоз — совокупность популяций разных видов, которые совместно обитают на одной территории. Популяция — это группа особей одного вида, живущих в определённом месте. В биоценозе виды связаны не только питанием: они могут конкурировать, служить друг другу убежищем или влиять на условия жизни. Это понятие обозначает живую часть экосистемы.

Биотоп — участок среды с относительно однородными условиями, в котором существует биоценоз. К таким условиям относятся, например, освещённость, влажность, температура и свойства почвы или воды. Биотоп не обязательно совершенно одинаков во всех точках, но его условия позволяют жить определённому сообществу организмов. Это понятие помогает отделить среду обитания от её живых обитателей.

Трофическая сеть — совокупность переплетённых пищевых цепей, показывающая разнообразие связей питания в экосистеме. Одно животное может питаться несколькими видами, а само быть пищей для разных хищников. Поэтому сеть точнее, чем отдельная цепь, описывает реальные отношения между организмами. По ней можно проследить возможные последствия изменения численности одного из видов.

Как это устроено

Экосистема включает живые организмы и неживую среду, потому что жизнь зависит от воды, воздуха, света, температуры и минеральных веществ. Одновременно организмы изменяют среду: растения затеняют почву, корни удерживают её, а животные и микроорганизмы влияют на состав грунта. Если учитывать только организмы, останется непонятно, откуда берутся необходимые для жизни условия и вещества. Связи между живой и неживой частями делают экосистему единым целым.

Продуценты образуют органические вещества из неорганических, используя энергию света; чаще всего это растения и водоросли. Энергия света позволяет им создавать вещества, которые становятся запасом питания для других организмов. Консументы сами не производят органическое вещество из неорганического, поэтому получают его, поедая растения или животных. Так энергия и органическое вещество переходят от продуцентов к потребителям.

Когда организмы погибают или оставляют отходы, их остатки содержат органические вещества. Бактерии и грибы, называемые редуцентами, разлагают эти остатки до более простых, в том числе минеральных, веществ. Минеральные вещества снова могут быть поглощены растениями, поэтому элементы возвращаются в среду и вновь участвуют в образовании органики. Без редуцентов остатки накапливались бы, а доступных продуцентам веществ становилось бы меньше.

По пищевой цепи органическое вещество и заключённая в нём энергия переходят от одного организма к другому. Например, растение поедает травоядное животное, а его — хищник; каждое звено называют трофическим уровнем. На каждом уровне организмы расходуют энергию на жизнедеятельность, и часть её рассеивается в виде тепла. Поэтому следующий уровень получает меньше энергии, чем предыдущий, и длинные пищевые цепи встречаются реже.

В природе организм обычно связан не с одним источником пищи и не с одним потребителем. Поэтому отдельные цепи пересекаются и образуют трофическую сеть, в которой изменение одного звена может повлиять на несколько других. Если одни виды сокращаются, другие иногда могут использовать альтернативную пищу, и это смягчает последствия. Разнообразие видов и связей повышает устойчивость экосистемы, хотя не защищает её от любых изменений.

Компоненты экосистемы и их роль

Чтобы определить группу организма, выясните, откуда он получает органическое вещество и что делает с ним в экосистеме. Первый консумент в цепи питается продуцентом, а консументы последующих порядков — другими животными. Редуцентов отличает разложение остатков до минеральных веществ, а не просто питание живой добычей.

Разбор задач

Задача 1. В цепи «трава → заяц → лиса» определите продуцента и консументов, расположив организмы по трофическим уровням. Стрелка показывает направление передачи органического вещества и энергии от пищи к тому, кто её ест. Поэтому начинать разбор нужно с организма, который создаёт органику, а не с хищника.

1. Трава образует органические вещества, используя энергию света, значит, она относится к продуцентам и занимает первый трофический уровень.
2. Заяц питается травой, поэтому он консумент первого порядка и занимает второй уровень.
3. Лиса питается зайцем, значит, она консумент последующего порядка — в этой цепи второго порядка — и занимает третий уровень.

Ответ: трава — продуцент, заяц — консумент первого порядка, лиса — консумент второго порядка. Уровни расположены в последовательности: продуцент → консумент первого порядка → консумент второго порядка. Направление стрелок соответствует переходу вещества и энергии от пищи к потребителю.

Задача 2. Составьте возможную цепь питания для пруда из организмов: водоросли, дафния, карась, щука. Укажите направление передачи вещества и энергии. Чтобы не перепутать порядок, нужно выяснить, кто образует органику, а затем последовательно поставить тех, кто питается предыдущим звеном.

1. Водоросли создают органические вещества, поэтому ставим их в начало цепи как продуцентов.
2. Дафния может питаться водорослями, а карась — дафниями; вслед за ними располагаем этих потребителей.
3. Щука может питаться рыбой, в том числе карасём, поэтому она завершает предложенную цепь.

Ответ: водоросли → дафния → карась → щука. Вещество и энергия передаются по направлению стрелок: от водорослей к дафнии, затем к карасю и щуке. Водоросли — продуценты, а остальные организмы — консументы следующих порядков.

Задача 3. В экосистеме луга резко сократилась численность хищных птиц. Предположите, как это может повлиять на численность грызунов и растений, учитывая пищевые связи. Нельзя точно предсказать результат без сведений обо всех видах и условиях, но можно проследить вероятную цепь последствий. Грызуны могут поедать растения и сами служить пищей для хищных птиц.

1. Если хищные птицы охотятся на грызунов, уменьшение числа хищников может снизить давление на их добычу.
2. При прочих равных условиях грызунов может стать больше, поскольку меньше особей будет уничтожаться хищниками.
3. Увеличившаяся численность грызунов может привести к более интенсивному поеданию растений, и их количество или состояние способны ухудшиться.

Ответ: вероятный ход изменений — хищных птиц становится меньше, грызунов больше, а растений может стать меньше из-за усиленного поедания. Это не неизбежный результат: на численность влияют другие хищники, доступность пищи, конкуренция и условия среды. Пример показывает, как изменение одного звена сети может косвенно отразиться на других.

Типичные ошибки

Ошибочно считать экосистемой только совокупность организмов. Так думают, когда сосредотачиваются на живых видах и забывают о воде, почве, воздухе и других условиях их жизни. Проверьте себя: можете ли вы назвать, какие вещества и условия нужны организмам и как они связаны со средой? Если нет, описание экосистемы неполно.

Пищевая цепь и пищевая сеть — не одно и то же. Цепь показывает один последовательный путь питания, а сеть объединяет несколько связанных цепей. Путаница возникает, если считать, что каждый организм имеет только одну пищевую связь. Для проверки нарисуйте стрелки от пищи к потребителю: если получился один путь, это цепь, если несколько переплетённых путей — сеть.

Энергия не возвращается в экосистему так же, как минеральные вещества. Организмы передают её по пищевым связям, но часть энергии рассеивается в виде тепла на каждом уровне. Эту ошибку допускают, смешивая поток энергии с круговоротом вещества. Проверьте себя вопросом: может ли энергия, уже рассеянная как тепло, снова пройти по той же пищевой цепи? В отличие от веществ, поток энергии направлен.

Редуцентов иногда называют консументами, потому что они используют органические вещества. Однако их особая роль состоит в разложении остатков до минеральных веществ, а не в обычном переходе органики от добычи к потребителю. Путаница возникает из-за широкого понимания слова «питаться». Проверьте, что именно делает организм: если он разлагает мёртвые остатки и возвращает минеральные вещества в среду, это редуцент.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в экосистемах, пригодятся знания о клетках и организмах, средах обитания, популяциях и способах питания. Представление о пищевых связях и круговороте веществ помогает позднее изучать биосферу, экологические проблемы и влияние человека на природу. Связь с физикой проявляется в передаче и превращении энергии, а с химией — в составе веществ и их круговороте. Эти знания объясняют не только устройство экосистемы, но и последствия изменений в ней.

Что запомнить

• Экосистема включает живые организмы и среду их обитания, связанные обменом веществ и энергии.
• Биоценоз — живая часть экосистемы, а биотоп — участок среды, где он существует.
• Продуценты образуют органические вещества, консументы питаются организмами, редуценты разлагают их остатки.
• Пищевая цепь показывает последовательную передачу вещества и энергии между организмами.
• Пищевые цепи в экосистеме переплетаются и образуют пищевую сеть.
• Вещество может совершать круговорот, а поток энергии через экосистему направлен и сопровождается её рассеиванием.