Основы экологии и энергосбережения - Ян Мархоцкий

По размерности экосистемы можно разделить:

• на микроэкосистемы (например, пень или гниющее дерево в лесу после бурелома);

• мезоэкосистемы (например, лес, река, болото, кукурузное поле, березовая роща);

• макроэкосистемы (например, море, степь, Заполярье).

Естественные экосистемы характеризуются следующими основными признаками: они всегда представлены совокупностью биотических и абиотических факторов; в их пределах осуществляется полный цикл круговорота веществ – от создания (фотосинтеза) органических веществ до их разложения на неорганические; их устойчивость сохраняется в течение определенного времени.

Экосистемы принадлежат к открытым термодинамическим системам, т. е. они должны отдавать и получать энергию и обмениваться веществами. Все компоненты экосистем взаимосвязаны. Соотношение видов в них складывалось веками. Появление любого нового вида может нарушить естественное равновесие экосистемы. Например, в рождественские дни 1859 года в Австралию были впервые завезены 24 кролика. Хищники, питающиеся кроликами, в местной фауне отсутствовали. Плодовитые грызуны быстро размножились. Эти травоядные животные ухудшили кормовую базу скотоводства и нанесли огромный ущерб урожаю сельскохозяйственных культур, т. е. «кролики съели Австралию». Как видно, внедрение чужеродного вида в экосистему со свободными экологическими нишами представляет собой определенную опасность.

5.2. Динамика экосистем

Для естественной экосистемы характерны следующие признаки. Во первых, она состоит из обязательной совокупности биотических и небиотических факторов. Во-вторых, в границах экосистемы происходит полный цикл круговорота веществ – от создания органических веществ до разложения их на неорганические. В третьих, устойчивость экосистемы сохраняется в течение определенного времени.

Экосистемы подвержены постоянным изменениям. Под влиянием потока энергии и питательных веществ одни виды растений и животных постепенно отмирают или уступают место другим.

Если биоценоз разрушается в результате пожара, урагана, рубки леса, то восстановление его идет медленно. Изменение экосистемы во времени вследствие внутренних и внешних воздействий называется динамикой экосистемы.

Сформировавшиеся биоценозы имеют определенное строение, определенный флористико-фаунистический состав, физиологические особенности.

Многие специалисты выделяют следующие смены биогеоценозов или экосистем:

• вековые (эволюция материков и флоры) связаны с процессами подбора видов, способных существовать совместно, а также с возникновением новых видов;

• длительные (десятки, сотни лет). Примером является замена мелколиственных лесов, возникших на месте ельников, уничтоженных рубками или пожарами, снова еловыми лесами;

• быстрые смены связаны с уничтожением или сильным нарушением биогеоценоза под влиянием природных или антропогенных факторов.

Термин «сукцессия» впервые был употреблен французским ботаником Де Люком в 1806 г. для обозначения смен растительности. Теория сукцессии была детально разработана в 1916 г. американским ученым Ф. Клементсом.

Сукцессия (от лат. successio – преемственность, наследование) – это постепенная, необратимая, направленная смена одних биоценозов другими на одной и той же территории под влиянием природных факторов или воздействия человека.

Примерами сукцессии могут быть зарастание сыпучих песков, каменистых россыпей, отмелей, заселение заброшенных сельскохозяйственных земель растительными и животными организмами.

Тип сукцессии, начинающийся с заселения обнаженной горной породы или другой поверхности, лишенной почвы (например, песчаных дюн или бывшего ложа ледника), называется первичной сукцессией. Вторичная сукцессия предполагает заселение поверхностей, которые полностью или в значительной степени лишены растительности, но прежде находились под влиянием живых организмов и обладают органическим компонентом (например, лесные вырубки, выгоревшие участки или заброшенные сельскохозяйственные угодья). В таких почвах могут сохраняться семена, споры и органы вегетативного размножения (например, корневища, которые будут оказывать влияние на сукцессию). Примером вторичной сукцессии может быть образование торфяного болота при зарастании озера.

Любой перерыв в движении по направлению к климаксу, вызванный местными условиями рельефа, микроклимата, землепользования и т. д., тоже может привести к формированию устойчивого сообщества. Например, горы и холмы постепенно будут разрушаться организмами и эрозией горной породы в результате выветривания, что приводит к формированию слоя почвы, достаточного для того, чтобы здесь смогли поселиться более крупные растения (мхи, папоротники). За этими растениями последуют еще более крупные и требовательные к питательным веществам формы – семенные растения, включая травы, кустарники и деревья. На рис. 5.2 представлена схема типичной наземной сукцессии.

Смена одних видов другими за некоторый период времени называется экологической сукцессией. Завершающее сообщество – устойчивое, самовозобновляющееся и находящееся в равновесии со средой – называется климаксным сообществом. В животном мире тоже происходит смена одних видов другими, в значительной мере обусловленная сменой растительности, но этот процесс зависит еще и от того, какие животные могут мигрировать из соседних сообществ.

Рис. 5.2. Типичная наземная сукцессия

5.3. Пищевые цепи, трофические уровни и экологические пирамиды

Внутри экосистемы содержащие энергию органические вещества создаются автотрофными организмами и служат пищей (источником вещества и энергии) для гетеротрофов. Например, животное поедает растение. Данное животное в свою очередь может быть съедено другим животным, и таким образом может происходить перенос энергии через ряд организмов – каждый последующий питается предыдущим, поставляющим ему сырье и энергию.

Данная последовательность называется пищевой цепью, а каждое ее звено – трофическим уровнем (греч. trophos – питание). Первый трофический уровень занимают автотрофы, или так называемые первичные продуценты. Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами, третьего – вторичными консументами.

Первичные продуценты (от лат. producens – производящий) – автотрофные организмы: зеленые растения, некоторые прокариоты (сине-зеленые водоросли), немногочисленные виды бактерий, которые тоже фотосинтезируют, но их вклад невелик. Фотосинтетики превращают солнечную энергию (энергию света) в химическую. Небольшой вклад в продукцию органического вещества вносят и хемосинтезирующие бактерии, извлекающие энергию из неорганических соединений.

Главными продуцентами в водных экосистемах являются водоросли – часто мелкие одноклеточные организмы, составляющие фитопланктон поверхностных слоев океанов и озер. На суше большую часть первичной продукции поставляют более высокоорганизованные формы, относящиеся к голосеменным и покрытосеменным, т. е. они формируют леса и луга.

Первичные консументы (от лат. konsumo – потребляю), как правило, питаются первичными продуцентами, т. е. это растительноядные (травоядные) животные. К консументам относятся животные и человек. На суше типичными травоядными являются многие насекомые, рептилии, птицы и млекопитающие. Наиболее важные группы травоядных млекопитающих – это грызуны и копытные. К последним относятся пастбищные животные (лошади, овцы, крупный рогатый скот). В пресноводных и морских водных экосистемах растительноядные представлены обычно моллюсками мелких ракообразных, мидиями, устрицами.

Вторичные консументы питаются растительноядными. Таким образом, это уже плотоядные животные, так же, как и третичные консументы, поедающие консументов второго порядка. Консументы второго и третьего порядка могут быть хищниками и охотиться, хватать и убивать свою жертву, питаться падалью или быть паразитами. В последнем случае по величине они меньше своих хозяев.

Редуценты и детритофаги (от лат. reducens – возвращающий) – детритные пищевые цепи.

Существуют два главных типа пищевых цепей – пастбищные и детритные. Выше мы привели примеры пастбищных цепей, в которых первый трофический уровень – зеленые растения, второй – пастбищные животные (термин «пастбищные» используется в широком смысле и включает все организмы, питающиеся растениями) и третий – хищники. В телах погибших животных и растений еще содержатся энергия и «строительный материал» – так же, как и прижизненные выделения – моча и фекалии. Эти органические материалы разлагаются микроорганизмами – грибами и бактериями, живущими как сапрофиты на органических остатках. Такие организмы называются редуцентами. Они разрушают мертвые органические вещества и превращают их в неорганические вещества, которые в состоянии усваивать другие организмы (продуценты). Скорость разложения органических веществ может быть различной.