§ 25. Особенности естественных фотоавтотрофных наземных и пресноватых экосистем

Определения и обозначения

Естественная экосистема — совокупность живых организмов и факторов среды, связанных обменом веществ и потоком энергии без целенаправленного управления человеком. Это не только растения и животные, но и вода, воздух, почва, свет и связи между ними. Такое понятие помогает рассматривать природу как единую систему, где изменение одного компонента может повлиять на другие.

Фотоавтотроф — организм, создающий органические вещества из неорганических за счёт энергии света. К фотоавтотрофам относятся многие растения и водоросли, а также некоторые бактерии. В экосистеме они выступают продуцентами: создают органическое вещество, которое затем используют другие организмы.

Наземная экосистема — экосистема, в которой основная часть организмов обитает в воздушно-наземной среде, а почва обеспечивает минеральное питание и разложение остатков. На суше растения получают свет над поверхностью земли, а корнями поглощают воду и минеральные вещества из почвы. Это определение помогает понять, почему состояние почвы важно для всей экосистемы.

Пресноводная экосистема — экосистема водоёма с низкой концентрацией солей, где условия жизни определяются свойствами воды, освещённостью, температурой и содержанием кислорода. К ней относятся, например, озёра, пруды и реки. Понятие подчёркивает, что для обитателей важны не только виды организмов, но и характеристики водной среды.

Как это устроено

Фотоавтотрофы чаще всего становятся основными продуцентами, потому что умеют использовать постоянно поступающую энергию света. При фотосинтезе из воды и углекислого газа образуются органические вещества, а световая энергия запасается в их химических связях. Консументы получают эту энергию, поедая растения или других животных, а потому поток энергии в пищевой цепи начинается с продуцентов. Если света или воды недостаточно, образование органического вещества снижается и пищевых ресурсов для остальных организмов становится меньше.

В наземной экосистеме растения используют свет, воду и минеральные вещества из почвы, поэтому их размещение зависит от освещённости и свойств грунта. Животные — консументы — получают органическое вещество с пищей: одни едят растения, другие охотятся на животных. Редуценты, например многие грибы и бактерии, разлагают остатки организмов и возвращают минеральные вещества в почву. Благодаря этому растения могут снова использовать часть веществ, а материалы не остаются навсегда в мёртвых остатках.

В водоёме условия меняются с глубиной, потому что вода поглощает и рассеивает свет. Температура и содержание кислорода также могут различаться между поверхностью, толщей воды и придонными слоями. Поэтому светолюбивые водоросли и растения сосредоточены там, где фотосинтез возможен, а животные выбирают слои с подходящими температурой, кислородом и пищей. Донные организмы, в свою очередь, используют оседающие остатки и вещества в грунте.

Источники минерального питания на суше и в воде различаются из-за особенностей среды. На суше корни получают вещества из почвы, а осадки помогают доставлять воду и растворённые соединения. В водоёме минеральные соли находятся в растворённом виде, могут высвобождаться из донных отложений и поступать с территории, откуда стекает вода. Поэтому состояние почв и земель вокруг водоёма способно влиять на его химический состав и питание водных организмов.

Устойчивость экосистемы повышается, если в ней много видов и пищевые связи образуют разветвлённую сеть: при изменении численности одного организма другие связи могут частично компенсировать его роль. Возврат веществ благодаря редуцентам поддерживает их повторное использование, но круговорот не бывает полностью замкнутым. На продуктивность и устойчивость влияют ограниченные ресурсы: при недостатке света, воды, минеральных веществ или кислорода организмы хуже растут и размножаются. Значит, сложные связи помогают системе справляться с изменениями, но не отменяют ограничений среды.

Сравнение естественных наземных и пресноводных фотоавтотрофных экосистем

Сравнивайте экосистемы по строкам: так легче увидеть, как условия среды связаны с составом организмов и их размещением. Таблица показывает общие роли продуцентов и редуцентов, но конкретный состав видов зависит от местных условий. При разборе примера сначала определите среду и доступные ресурсы, а затем объясняйте, какие организмы могут в ней жить.

Разбор задач

Определить продуцентов, консументов и редуцентов в смешанном лесу

Условие. Нужно распределить организмы смешанного леса по способу получения энергии и органического вещества. В примере рассматриваются деревья и травы, растительноядные животные и хищники, а также грибы и бактерии. Важно классифицировать не по размеру или месту обитания, а по выполняемой роли.

1. Найдём организмы, которые сами создают органическое вещество из неорганических веществ с помощью света. Деревья, кустарники, травы и мхи при наличии подходящих условий фотосинтезируют. Следовательно, это продуценты.
2. Определим организмы, которые получают готовое органическое вещество с пищей. Насекомые, поедающие листья, и растительноядные млекопитающие — консументы первого порядка; хищники, питающиеся ими, — консументы следующих порядков. Их положение в цепи зависит от того, кого они едят.
3. Выделим организмы, разлагающие мёртвые остатки и продукты жизнедеятельности. Грибы и многие бактерии выполняют роль редуцентов, превращая органические вещества в минеральные соединения. Эти вещества могут снова использовать растения.

Ответ. Продуценты смешанного леса — растения и другие фотосинтезирующие организмы; консументы — растительноядные животные и хищники; редуценты — прежде всего грибы и бактерии. Один и тот же организм нельзя отнести к группе только по внешнему виду: нужно учитывать, как он получает вещества и энергию. Так сохраняется связь между ролью организма и его местом в круговороте веществ.

Почему организмы озера различаются у поверхности, в толще воды и у дна

Условие. Нужно сравнить состав организмов в разных слоях пресноводного озера. Предположим, что наблюдаются водоросли у поверхности, животные в толще воды и организмы на дне. Объяснить распределение следует условиями среды, а не случайным выбором мест обитания.

1. Сначала сравним освещённость. Свет лучше проникает в верхние слои, поэтому там активнее фотосинтезируют водоросли и растения; с глубиной света становится меньше. Это ограничивает рост фотоавтотрофов в глубокой воде.
2. Затем учтём температуру и кислород. Поверхностная вода обычно сильнее прогревается и обменивается газами с атмосферой, тогда как глубинные слои могут иметь другие показатели. Разным животным подходят разные сочетания этих условий.
3. Наконец, рассмотрим пищу и минеральные вещества. В толще воды животные находят планктон и других организмов, а на дно оседают остатки и накапливаются вещества донных отложений. Поэтому там живут организмы, приспособленные к придонным условиям и питанию оседающей органикой.

Ответ. Различия между слоями озера возникают из-за неодинаковой освещённости, температуры, содержания кислорода и доступности пищи. Фотоавтотрофы чаще занимают освещённые участки, а животные и донные организмы распределяются в соответствии со своими потребностями. Чтобы объяснить состав организмов конкретного слоя, нужно проверить все эти факторы вместе.

Как удаление прибрежной растительности изменит озеро

Условие. С берегов озера удалили прибрежные растения, и нужно предположить последствия для пищевых связей и круговорота веществ. Растительность служила средой обитания и могла поглощать часть поступающих с суши минеральных веществ. Рассмотрим, как одно изменение способно затронуть несколько процессов.

1. Сначала оценим, что изменится на границе суши и воды. Без растительного покрова меньше веществ задерживается корнями и почвой, поэтому с дождевым стоком в озеро может поступать больше минеральных соединений и частиц грунта. Одновременно исчезают укрытия и места размножения для некоторых животных.
2. Затем проследим влияние на пищевые связи. Изменение растительности уменьшает доступность пищи и убежищ для прибрежных организмов, а это затрагивает их потребителей. Вода может получить больше доступных питательных веществ, что при подходящих условиях усиливает рост водорослей.
3. Наконец, учтём разложение органики. Массовое отмирание водорослей увеличивает количество остатков, которые разлагают бактерии; на этот процесс расходуется растворённый кислород. При его снижении условия для рыб и других водных животных ухудшаются.

Ответ. Удаление прибрежной растительности может усилить поступление веществ в озеро, изменить пищевые связи и повысить риск цветения воды. Последующее разложение избытка органики способно снизить содержание кислорода. Итог зависит от масштаба нарушения, особенностей водоёма и поступления веществ с его водосборной территории.

Типичные ошибки

Ошибка — считать продуцентами все зелёные организмы вне зависимости от условий. Её допускают, ориентируясь только на цвет, хотя фотосинтез требует света и подходящих факторов среды. Проверьте себя вопросом: получает ли этот организм энергию света и способен ли он создавать органическое вещество в данных условиях?

Ошибка — отождествлять экосистему с сообществом организмов. Сообщество включает живые организмы, но экосистема также содержит неживую среду и связи обмена веществ и энергии. Чтобы проверить ответ, перечислите не только виды, но и такие компоненты, как вода, почва, свет и воздух.

Ошибка — считать условия водоёма одинаковыми на любой глубине. Так рассуждают, если представляют воду однородной средой, но освещённость, температура и содержание кислорода меняются по вертикали. Проверка проста: сравните поверхность, толщу воды и дно по этим показателям и подумайте, какие организмы им подходят.

Ошибка — представлять круговорот веществ полностью замкнутым. Внутри экосистемы многие вещества возвращаются к продуцентам, но они также поступают извне и выносятся, например водой. Чтобы избежать ошибки, различайте круговорот внутри системы и обмен веществами с окружающей средой.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об уровнях организации живой природы, составе экосистемы и ролях продуцентов, консументов и редуцентов. Также важно представлять, как при фотосинтезе образуется органическое вещество. Эти понятия помогают объяснить, откуда в экосистеме берутся пища и энергия.

Дальше они пригодятся при изучении пищевых цепей, экологических пирамид, продуктивности, сукцессий и биосферы. Сравнение наземных и пресноводных систем помогает оценивать загрязнение водоёмов, охранять почвы и сохранять биоразнообразие. Оно также позволяет проследить последствия хозяйственной деятельности человека через изменения среды и пищевых связей.

Что запомнить

• Фотоавтотрофы создают органическое вещество из неорганического, используя энергию света.
• Естественная экосистема включает живые организмы, неживую среду и связи между ними.
• В наземных экосистемах важнейшую роль в питании растений играет почва.
• В пресноводных экосистемах распределение организмов зависит от глубины, освещённости и содержания кислорода.
• Энергия проходит через экосистему однонаправленно, а вещества участвуют в круговороте.
• Устойчивость экосистемы поддерживается разнообразием видов и сложностью пищевых связей.
• Продуктивность экосистем ограничивается светом, водой, температурой, минеральными веществами и кислородом.