Экосистема: структура экосистемы, определение, понятие, виды и интересные факты

В экологии - науке о взаимодействии живых организмов между собой и с окружающей средой, - понятие экосистемы является одним из основных. Человеком, которым ввел его в обиход, стал британский ботаник и один из первых экологов в мире Артур Тенсли. Термин «экосистема» появился в 1935 г. Однако в отечественной экологии его предпочитали заменять такими понятиями, как «биогеоценоз» и «биоценоз», что не совсем верно.

В статье раскрыто понятие экосистемы, структуры экосистемы и ее отдельных составных частей.

Суть понятия

Все сообщества существующих ныне живых организмов связывают с неорганической средой тесные материально-энергетические связи. Так, растения могут развиваться только за счет постоянного поступления в них воды, кислорода, углекислого газа, минеральных солей. Жизнедеятельность гетеротрофов возможна только за счет автотрофов. Однако при этом они также нуждаются в воде и кислороде. Любое конкретное местообитание могло бы обеспечить необходимыми для жизни населяющих его организмов неорганическими соединениями лишь на короткий срок, если бы они не возобновлялись.

Возврат биогенных элементов в среду происходит непрерывно. Процесс идет как во время жизни организмов (дыхание, дефекация, экскрекция), так и после их смерти. Иными словами, их сообщество с неорганической средой образует определенную специфическую систему. В ней поток атомов, обусловленный жизнедеятельностью организмов, замыкается, как правило, в круговорот. По сути, это и есть экосистема. Структура экосистемы позволяет более глубоко изучить ее строение и характер существующих связей.

Определение экосистемы

Отцом экосистемной экологии считают американского биолога Юджина Одума, известного своими новаторскими работами в этой области. В связи с этим, пожалуй, логично будет привести именно его толкование рассматриваемого в статье термина.

По словам Ю. Одума, всякое единство, в состав которого входят все организмы данного участка, взаимодействующие с физической средой таким способом, когда создается поток энергии с четко определенной трофической структурой, видовым разнообразием и круговоротом веществ (обмен энергией и веществами между абиотической и биотической частями) внутри системы, есть экосистема. Структура экосистемы может рассматриваться с различной точки зрения. Традиционно выделяют три ее вида: трофическую, видовую и пространственную.

Соотношение понятий экосистема и биогеоценоз

Учение о биогеоценозе было разработано советским геоботаником и географом Владимиром Сукачевым в 1942 г. За рубежом оно практически не используется. Если обратиться к определениям терминов «экосистема» и «биогеоценоз», то видно, что между ним нет никакой разницы, по сути, они являются синонимами.

Однако на практике существует весьма распространенное мнение о том, что идентичными их можно назвать лишь с определенной долей условности. Термин «биогеоценоз» акцентирует внимание на связи биоценоза с каким-либо конкретным участком водной среды или суши. В то время как экосистема подразумевает любой абстрактный участок. В связи с этим биогеоценозы принято рассматривать как ее частные случаи.

О составе и структуре экосистем

В любой экосистеме можно выделить два компонента – абиотический (неживой) и биотический (живой). Последний, в свою очередь, делится на гетеротрофный и автотрофный, в зависимости от способа получения энергии организмами. Эти компоненты формируют так называемую трофическую структуру.

Единственным источником поддержания различных процессов в экосистеме и энергии для нее служат продуценты, т. е. организмы, способные усваивать энергию солнца. Они представляют собой первый трофический уровень. Последующие формируются за счет консументов. Замыкается трофическая структура экосистемы редуцентами, функция которых заключается в переводе неживого органического вещества в минеральную форму, которая в дальнейшем может быть усвоена автотрофными организмами. То есть наблюдается тот самый круговорот и непрерывный возврат биогенных элементов в среду, о котором говорил Ю.Одум.

Составляющие части экосистем

Структура сообщества экосистемы имеет следующие составляющие части:

• климатический режим, который определяет освещение, влажность, температуру и иные физические характеристики среды;
• включенные в круговорот неорганические вещества (азот, фосфор, вода и т. д.);
• связывающие абиотическую и биотическую части в процессе круговорота энергии и вещества органические соединения;
• создатели первичной продукции – продуценты;
• фаготрофы (макроконсументы) – поедающие другие организмы гетеротрофы или крупные частицы органических веществ;
• редуценты – бактерии и грибы (главным образом), разрушающие путем минерализации мертвое органическое вещество, возвращая его тем самым в круговорот.

Итак, биотическая структура экосистем состоит из трех трофических уровней: продуценты, консументы и редуценты. Именно они формируют так называемую биомассу (совокупная масса животных и растительных организмов) биогеоценоза. Для Земли в целом она равна 2423 миллиарда тонн, причем люди «дают» около 350 миллионов тонн, что пренебрежительно мало по сравнению с общим весом.

Продуценты

Продуценты – это всегда первое звено пищевой цепи. Данный термин объединяет все организмы, которые обладают способностью производить из неорганических веществ органические, т. е. являются автотрофами. Главным образом продуценты представлены зелеными растениями. Они синтезируют органические соединения из неорганических в процессе фотосинтеза. Кроме того, к ним можно отнести несколько видов хемотрофных бактерий. Они могут осуществлять исключительно химический синтез без энергии солнечного света.

Консументы

В биотическую структуру и состав экосистемы входят также гетеротрофные организмы, которые потребляют уже готовые органические соединения, создаваемые автотрофами. Их называют консументами. Они, в отличие от редуцентов, не обладают способностью разлагать до неорганических соединений органические вещества.

К консументам принадлежат все животные, а также некоторые насекомоядные (росянка, венерина мухоловка и др.) и паразитические растения, микроорганизмы. Консументы делятся на несколько порядков, но, как правило, их редко бывает более четырех. Связано это с тем, что на каждом этапе передачи энергии и вещества трофическая цепь теряет до 90%.

К консументам I порядка принадлежат все те организмы, которые питаются непосредственно продуцентами. К ним относятся растения-паразиты и травоядные животные. Питающиеся ими хищники – это консументы II порядка. К этой же группе принадлежат паразиты травоядных животных.

Интересно, что в отличных пищевых цепях один и тот же вид может принадлежать к разным порядкам консументов. Примеров тому - великое множество. В частности, мышь. Она – это консумент как первого, так и второго порядка, так как питается и растительноядными насекомыми, и растениями.

Редуценты

Термин «редуценты» имеет латинское происхождение и дословно переводится, как «восстанавливаю, возвращаю». Это в полной мере отражает их значение в экологической структуре экосистем. Редуценты или деструкторы – это организмы, которые разрушают, превращая в простейшие органические и неорганические соединения, отмершие останки живого. Они возвращают в почву в доступном для продуцентов виде воду и минеральные соли и, тем самым, замыкают круговорот веществ в природе. Ни одна экосистема обойтись без редуцентов не может.

Не меньший интерес представляет видовая и пространственная структуры экосистем. Они отражают видовое разнообразие организмов и их распределение в пространстве в соответствии с индивидуальными потребностями и условиями обитания.

Видовая структура

Видовая структура представляет собой совокупность всех видов, составляющих экосистему, их взаимосвязь между собой и соотношение численности. В одних случаях первенство - за животными, например, биоценоз кораллового рифа, в других ведущую роль играют растения (пойменные луга, дубовые и еловые леса, ковыльная степь). Видовая структура экосистемы отражает ее состав в том числе и по количеству видов. Он зависит главным образом от географического положения места. Наиболее известная закономерность заключается в том, что чем ближе к экватору, тем флора и фауна разнообразнее. Причем это касается всех форм жизни, от насекомых до млекопитающих, от лишайников и мхов до цветковых растений.

Так, один гектар дождевых лесов Амазонки – это дом почти для 400 деревьев, принадлежащих более, чем к 90 видам, а на каждом из них произрастает более 80 различных эпифитов. В то же время на аналогичной площади елового или соснового леса умеренной полосы произрастает всего лишь 8-10 видов деревьев, а в тайге разнообразие ограничивается 2-5 видами.

Горизонтальная пространственная структура экосистемы

Многочисленные виды экосистемы в пространстве могут распределяться различным образом, но всегда в соответствии с их потребностями и требованиями к местообитанию. Такое размещение животных и растений в экосистеме получило название пространственной структуры. Она может быть горизонтальной и вертикальной.

Живые организмы в пространстве распределяются неравномерно. Как правило, они формируют группировки, что является приспособленческой особенностью. Подобного рода скопления определяют горизонтальную структуру экосистемы. Она проявляется в пятнистости, узорчатости. Например, колонии кораллов, перелетные птицы, стада антилоп, заросли вереска (на фото выше) или брусники. К структурным (элементарным) единицам горизонтального строения растительных сообществ относится микрогруппировка и микроценоз.

Вертикальная пространственная структура

Совместно произрастающие группы различных видов растений, которые различаются по положению ассимилирующих органов (стебли и листья, корневища, луковицы, клубни и т.д.) называют ярусами. Именно они характеризуют вертикальную структуру экосистемы. Экосистема леса является наиболее ярким примером в этом случае. Как правило, ярусы представлены различными жизненными формами кустарников, кустарничков, деревьев, трав и мхов.

Ярусы пространственной структуры

Первый ярус практически всегда представлен крупными деревьями, у которых листва расположена высоко над землей и хорошо освещается солнцем. Второй (подпологовый) ярус составляют не такие рослые виды, они могут поглощать неиспользованный свет. Далее находится подлесок, представленный настоящими кустарниками (орешник, крушина, рябина и пр.), а также кустарниковыми формами деревьев (лесная яблоня, груша и т. д.), которые при нормальных условиях могли бы вырасти до высоты деревьев первого яруса. Следующий уровень – это подросток. К нему относят молодые деревья, которые в перспективе могут «вытянуться» в первый ярус. Например, сосна, дуб, ель, граб, ольха.

Для вертикального вида структуры экосистемы (пространственной) характерно наличие травно-кустарничкового яруса. Его составляют лесные кустарники и травы: земляника, кислица, ландыш, папоротники, черника, ежевика, малина и пр. За ним следует заключительный ярус – мохово-лишайниковый.

Отметим, что лианы, эпифиты, а также растения-паразиты относят к группе внеярусной растительности. Это связано с тем, что весьма затруднительно отнести их к какому-либо конкретному ярусу.

Пространственные границы экосистемы

Как правило, увидеть чёткую границу между экосистемами в природе невозможно, если она не представлена различными факторами ландшафта (реки, горы, холмы, обрывы и пр.). Чаще всего они объединены плавными переходами. Последние фактически могут сами являться отдельными экосистемами. Образующиеся на стыке сообщества принято называть экотонами. Термин введен в 1905 г. американским ботаником и экологом Ф. Клементсом.

Роль экотона заключается в поддержании биологического разнообразия экосистем между которыми он находится за счет так называемого краевого эффекта - сочетание определенных факторов среды, присущих различным экосистемам. Это обуславливает большое условий для жизни, а следовательно, экологических ниш. В связи с этим в экотоне могут существовать виды из разных экосистем, а также сугубо специфичные виды. Примером такой зоны является устье реки с прибрежно-водными растениями.

Временные границы экосистем

Природа под влиянием различных факторов меняется. На одном и том же месте с течением времени могут развиваться различные экосистемы. Период времени, за который происходит перемена, может быть как длительным, так и относительно коротким (1-2 года). Длительность существования определенной экосистемы определяется так называемой сукцессией, т. е. закономерной и последовательной сменой на определенном участке территории одних сообществ другими в результате внутренних факторов развития биогеоценоза.