Понятие, функции и основные свойства экосистемы

В школьном и университетском курсе обязательно рассматривают понятие, основные свойства экосистем, биоценозов, популяций, сообществ. Представление об этих определениях и сути объектов дают в рамках биологии, экологии. Нередко затрагивают такие понятия также в географии. Современная наука считает, что природа окружающего нас мира – это целостная система. Не играет роли, какова ее среда – вода либо обитание на суше.

Теоретический подход

Свойства экосистемы, биогеоценоза рассматриваются в рамках общей науки, посвященной сложным системам. Основоположником этого направления был Л. фон Берталанфи, работавший в двадцатом столетии. Приблизительно в конце сороковых годов им были изданы несколько работ, рассматривавших возможность системного подхода к многочисленным проблемам окружающего нас мира. В наше время разработанная им теория становится все более значимой на фоне природного кризиса и антропоморфного влияния.

Общая теория

Рассматривая структуру, свойства экосистемы, сперва важно определить, о чем в принципе идет речь. Системой принято обозначать компоненты, связанные меж собой и вступающие во взаимодействие, формирующие цельный объект. Под целым принято понимать единство, сформированное многочисленными элементами, отличающееся строго определенной структурой, то есть специфическим положением отдельных частей и строго определенным характером взаимного влияния.

Ключевые свойства экосистемы:

• интегрированность;
• изолированность;
• целостность;
• равновесность;
• стабильность;
• управляемость;
• стойкость;
• эмерджентность.

Эмерджентность

Под этим термином принято понимать универсальное свойство природных экосистем, объясняющее, что общность – это не простое суммирование качеств и особенностей компонентов, объединенных в систему. Когда элементы соединяются меж собой, появляются функциональные масштабные единицы, обладающие собственными уникальными особенностями, не характерными для предыдущего уровня, то есть первым компонентам. Новые эмерджентные свойства непредсказуемы на основании сведений только лишь о частях, сформировавших некоторую единицу.

Экологи говорят, что эмерджентные качества – это едва ли не главные свойства экосистемы. Они инициированы взаимным влиянием элементов друг на друга при условии сохранения природы компонентов. При учете таких качеств исследование системы возможно без полного и детального представления обо всех включенных элементах. Это особенно важно именно для экологии, рассматривающей системы, объединяющие одновременно тысячи и тысячи элементов. В настоящее время просто нет возможности досконально исследовать их все. Задача ученых – четко определить интегральные свойства. Для этого выявляют деструкцию, продукцию применительно к разным уровням, биомассу в сумме. А вот закономерностей не ищут, особенно если таковые не описывают систему в целом. Важно иметь представление лишь о таких процессах, которые влияют на будущее и поддаются прогнозированию.

Стойкость

Это свойство экосистемы и строение такого объекта тесно меж собою связаны. Применительно к объектам, регулируемым протекающими внутри процессами, принято говорить о возможности возвращения к начальной точке. Базовым законом для описания явления выступает теория Ле Шателье-Брауна, гласящая, что внешнее влияние, провоцирующее выход из стабильного положения, приводит к смещению равновесия, в силу чего внешний фактор становится слабее.

Рассматривая свойства и функции экосистем, обязательно учитывают наличие как прямых связей, так и обратной зависимости. Под прямыми принято понимать ситуации, когда один элемент прямо влияет на второй, но обратной реакции это не вызывает. При наличии ответного влияния можно фиксировать обратную связь. Применительно к любой современной экосистеме обратные связи – это исключительно важное явление, определяющее уровень стойкости и возможность дальнейшего прогресса. Выделяют положительные, отрицательные виды обратного взаимодействия.

Обратные связи

Анализируя понятие и свойства экосистемы, следует обязательно обратить внимание на такие обратные связи, которые спровоцированы процессом и стимулируют его движение в таком же направлении. Их принято относить к числу положительных. Так, если вырубить лес, территория станет болотом, где вскоре активно развивается популяция скапливающих влагу сфагновых мхов. Это приводит к еще большему заболачиванию.

Отрицательная обратная связь – это такое одно из основных свойств экосистемы, который показывает, что некий первый элемент оказывает влияние, противоположное по своему направлению относительно второго. В природе такой тип связей встречается чаще всего и справедливо считается в экологии самым важным. Классический пример из окружающего мира – отношение хищника и его пропитания. Если популяции жертв увеличивается, у хищников есть больше корма, то есть появляются условия для размножения, численность растет. Это стимулирует активное уничтожение жертв, кормовые условия становятся негативными, рождаемость хищного зверя понижается. Постепенно численность охотников сокращается, давление на жертву уменьшается, и круг начинается заново. Такая логика самостоятельного регулирования получила наименование динамического равновесия. Залог сохранности окружающей среды – в стойкости этого явления.

Системы: какие бывают?

В настоящее время, ориентируясь на основные свойства экосистем, принято разделять их все на три крупные группы:

• изолированные;
• закрытые;
• открытые.

Первые имеют строго определенные границы, и энергия, вещество через них не проходят внутрь и наружу. Сформироваться подобные системы могут только в искусственных условиях. К закрытым относятся такие, у которых с окружающим миром имеется только энергетический обмен. Наконец, третья группа – это экологические системы, которые с пространством обмениваются энергией, веществом. Таковы природные системы.

Актуальность теории

Возможно ли назвать особое свойство экосистем? Ученые достаточно давно определили, что общая системная теория – важный аспект экологической науки, позволяющий сформировать принципиально новую методологию. Она получила наименование системный анализ. В рамках такого подхода объекты природы, окружающего нас мира представляют собой системы, выделенные с учетом целей, поставленных перед группой исследователей. Система представляет собой цельный объект, одновременно ее можно рассмотреть и как сложное объединение многочисленных компонентов.

Системный анализ позволяет определить свойства экосистемы и выявить все те связи, благодаря которым она становится единым объектом. В рамках исследовательской работы ученые определяют, какие процессы контролируют систему, как она связана с миром вокруг и каким образом будет вести себя при наличии некоторого фактора влияния. Прогнозируют возможности развития.

О параметрах

Описывая свойства биосферы как глобальной экосистемы, более мелких объединений компонентов, обязательно выявляют ключевые параметры и дают им четкое описание. Наиболее значимыми являются:

• ограничения;
• свойства отдельных компонентов;
• свойства объекта как единого целого;
• структурные особенности;
• особенности взаимного влияния компонентов, слоев системы;
• специфика взаимосвязи внешнего мира и рассматриваемой совокупности.

А если поподробнее?

Исследуя свойства экосистемы, едва ли не сложнее всего определить точные ее границы. Это такая непростая характеристика, которая во многом связана с целостностью объекта. Она обусловлена тем фактом, что внутренние связи сильнее, нежели внешние. Только в таких условиях объединение компонентов может быть стойким относительно негативных факторов окружающего мира.

Показатели, позволяющие количественно и качественно описать объединение природных компонентов, дают представления обо всех свойствах как отдельных составных частей, так и системы в целом. Для точного определения структуры необходимо соотнести элементы, возникшие меж ними связи с учетом временных промежутков, пространства. Последнее – аспект, на основании которого определен порядок положения компонентов объекта. Время – это показатель, дающий представление об изменении состояний системы, отражающий ее развитие. Из структуры можно заключить, насколько в объекте сильна иерархия, как подчинены друг другу уровни, как организовано все это вместе.

О связях и элементах

Обмен информацией, энергией, веществом – форма связей сложного структурированного объекта и окружающего его мира. Во многом именно этим обменом определяется суть взаимодействия системы и пространства вокруг нее. Если система располагает связями, можно говорить об открытых границах, при отсутствии таковых объект оценивают как закрытый. При этом необходимо понимать, что экосистема – это не только органические формы жизни, но и все то, что их окружает, то есть абиотическая среда. Эти компоненты меж собой тесно связаны и постоянно взаимодействуют. Именно в таком сложном взаимном влиянии и формируется экосистема. Прежде чем назвать особое свойство экосистем, в первую очередь представляется взаимная тесная связь, позволяющая говорить об этом сложном объекте как о функциональной целостности, отличающейся наличием связей причин и последствий. Все компоненты влияют друг на друга, обуславливая наблюдаемые в системе процессы.

Свойства экологической системы прямо связаны с круговоротом веществ. Например, если рассматривать, будет ли влияние выпаса на свойства почвы и экосистему, очевидно, что такое обязательно обнаружится. Элементы, формирующие собой системы, способны производить органику, биологический продукт. Отличительная особенность природного структурированного объекта в сравнении с искусственным, сформированным человеческими усилиями, в том, что стабильность среды обеспечивает продолжительное, ничем не ограниченное существование. Природная экологическая система имеет достаточно ресурсов для защиты от негативных внешних факторов. Ее резервы позволяют сохранять постоянство функций, структуры. Чем крупнее экологическая система, тем больше внутри нее мелких структурных компонентов, а в них есть свои экосистемы еще меньшего масштаба.

О габаритах

Принято выделять системы:

• микро;
• мезо;
• макро;
• глобальная.

К первым причисляют небольшие объекты – водоемы, стволы деревьев, аквариумы. Второй уровень – пруды и леса, речки и озера. Макро – континенты, зоны. Глобальная – это биологическая сфера как единый объект.

Термины и габариты

Экологические системы, появившиеся на суше и достигшие довольно крупных размеров, принято именовать биомами, если они характеризуют некоторую строго очерченную географическую область. К числу таковых относятся пустыня, тайга и им подобные участки суши. Биом – это сложный объект. В него входит большое число экологических систем меньшего масштаба, причем все они тесно связаны меж собой.

Принято говорить о двух блоках экологической системы, из которых один – комплексно связанные друг с другом популяции животных, а второй – среда обитания и факторы, ее формирующие. Первое называется биоценозом, второе – экотопом. Экосистема в норме – элемент живой природы, функционирующий и сформированный и биоценозом, и абиотическими компонентами. Между ними постоянно происходит обмен химических компонентов, а энергию для процессов дает солнечный свет.

Синтез и энергия

Один из важнейших типов живых организмов на нашей планете – фотоавтотрофы, то есть такие организмы, которые способны производить органику из минералов при наличии солнечной энергии. Фотосинтез позволяет производить вещества, которые затем используются для энергетической подпитки растений. Благодаря этим компонентам растительные формы жизни могут поддерживать свои функции и воспроизводиться. Кроме того, органика – это строительный материал для формирования фитомассы.

Гетеротрофы – это грибы, бактерии, более крупные формы жизни, которые питаются продуктами, созданными фотоавтотрофами. Получаемые компоненты используются для построения собственных тканей и продуцирования энергии для жизнедеятельности. Метаболизм гетеротрофов предполагает высвобождение энергетических запасов, минерализацию вещества, в ходе чего появляются фосфаты, нитраты. Такие продукты необходимы для жизнедеятельности автотрофов. Таким образом в окружающей нас среде организован круговорот химических соединений.

Структурные особенности

Во многом свойства экосистем определены спецификой структурной организации конкретного объекта. Есть ряд закономерностей, описывающих связи между отдельными частями. Разные системы отличаются этими правилами, но в норме присутствует два типа элементов – живые и неживые компоненты. Организмы – это биота. Система, описывающая их отношения со средой обитания, позволяет сформулировать, какова экологическая системная структура.

Обычно при определении состава и структуры обращают внимание на:

• неорганику;
• органику;
• воздух, воду, субстрат;
• продуценты;
• консументы;
• деструкторы.

О чем идет речь?

К неорганике относят минералы, химические компоненты, принимающие участие в обмене веществ. Органика – это жиры, белковые структуры, молекулы углеводов. Среда включает в себя не только воздух и почву, но также климат и его особенности, физические факторы (к примеру, температура). К продуцентам принято причислять автотрофов, способных производить органику из простой неорганики, используя солнечную энергию. Преимущественно продуцентами на нашей планете выступают водоросли, зеленые растения, а также некоторые бактерии.

Консументы – это хищники, травоядные. Словом, сюда принадлежат разные гетеротрофы, животные, употребляющие в пищу различные организмы. Наконец, деструкторы – это гетеротрофы, способные обрабатывать мертвую органику. Преимущественно эта категория включает в себя грибы, бактерии, хотя есть несколько разновидностей беспозвоночных.

Это любопытно

Неорганика, органика, факторы химические, физические суммарно формируют биотоп, то есть элемент экосистемы, не имеющий собственной жизни. Прочие компоненты – жизнь, то есть биоценоз. Деструкторы, консументы, продуценты – это объекты, формирующие системную структуру. Продуценты способны поймать энергию и на ее основании создать химические связи, а использующие их в пищу консументы расходуют энергетические запасы на жизнедеятельность. Объемы энергии, запасенные таким образом, рано или поздно себя исчерпывают, существо погибает, становясь пищей для деструктора, способного расщепить сложную органику до минералов, которые могут быть пищей для продуцентов. Цикл повторяется.

Экологическая системная структура представляет собой взаимные связи между тремя основными типами жизни, обеспечивающими круговорот газов, твердых, жидких веществ на планете. Их сфера ответственности – переработка солнечной энергии. Экосистемы, вне зависимости от того, в какой среде они находятся, всегда представляют собой постоянное взаимное влияние продуцентов и гетеротрофов друг на друга. В то же время присутствует пространственное разделение, регламентирующее возможности взаимодействия. Процессы, за которые ответственны автотрофы, активны в самом верхнем системном ярусе, располагающем доступом к солнечному свету, а гетеротрофы интенсивнее в нижних, где есть доступ к осадкам, почве, скоплениям органики.