Біоценоз, біогеоценоз, екосистема

Життя на Землі можливе тільки в певних системах. Вивчення закономірностей розвитку, становлення та функціонування таких систем вивчає третя складова частина екології — синекологія, або біоценологія. Синекологія, як окрема частина екології була виділена на Міжнародному бота­нічному конгресі у 1910 році. Термін запропонував швейцар­ський ботанік К. Шрьотер (1902).

Поняття про біоценоз.Біосфера в цілому не є однорідною. В її межах добре виражені географічні та ландшафтно-геогра­фічні зони. Якщо навіть взяти будь-яку з них, наприклад, лісову зону, що займає невелику частину нашої країни, то стане зрозумілим, що і цей простір, у свою чергу, з екологічної точки зору далеко неоднорідний. У межах кожної зони можна зустріти більш-менш великі однорідні ділянки території, подібні щодо клімату, рельєфу, ґрунтів, рослинного та тварин­ного світу. Такі однотипні за своїм характером ділянки місце­вості мають в екології назву біотопів.

До біотопу зазвичай належить та чи інша кількість видо­вих популяцій, які знаходять тут достатньо сприятливі умови для свого постійного або сезонного існування. Видові популя­ції, що мешкають в одному і тому самому біотопі, співіснують одна з одною і утворюють складний біотичний комплекс. Таким чином, до однієї території належить складний комп­лекс видових популяцій та екологічного середовища, які не просто механічно співіснують, а певним чином узгоджено функціонують, утворюючи біоценоз. Біоценоз— це біологічна система, що становить сукупність популяцій різних видів рослин, тварин та мікроорганізмів, які населяють певний біотоп.

Поняття екосистеми.Сьогодні концепція екосистеми нале­жить до найбільш важливих теоретичних узагальнень еколо­гії. Поняття екосистеми було сформульовано в 1935 р. англій­ським ботаніком А. Тенслі.

Екосистемою можна називати будь-який природний комп­лекс, починаючи зі Світового океану та великого озера, аж до акваріума з тропічними рибками, рослинами і молюсками або від всієї зони лісів та великого лісового масиву до гнилого пня в лісі. Інтеграція усіх екосистем світу становить гігантську еко­систему Землі — біосферу.

Але не всяка комбінація «життя — довкілля» є екосисте­мою. За Ю. Одумом (1975), екосистемою можна називати тільки ті об'єднання життя з навколишнім середовищем, які характе­ризуються певною стабільністю та мають чіткий внутрішній кругообіг речовин. Хоча в розумінні деяких зарубіжних та вітчизняних екологів екосистема охоплює простір будь-якої протяжності та розмірності — від краплини ставкової води, акваріума до океану і всієї поверхні планети.

Отже, екосистема — це сукупність різних видів рослин, тварин та мікроорганізмів, які взаємодіють один з одним та навколишнім середовищем таким чином, що вся ця сукуп­ність може зберігатися невизначено довго.

Поняття біогеоценозу.Ідея існування життя в певній формі об'єднання була розвинута далі, і в 1940 р. з'являється робота академіка В.Н. Сукачова, в якій він вперше висловив думку про існування в природі біогєоценозів. Великий вплив на фор­мування вчення мала концепція біосфери та біохімічної ролі організмів В.І. Бернадського.

Аналізуючи закономірності, які керують лісовими природ­ними комплексами, Сукачов дійшов висновку, що в природі існують не просто біоценози, системи, які об'єднують органічні угруповання з абіотичними умовами, прив'язаними до певної території, що називається екотопом. Єдність біоценозу, еколо­гічних умов та екотопу становить комплекс, який Сукачов запропонував назвати біогеоценозом. Хоча назва дещо гро­міздка, але вона правильно підкреслює двоєдиний характер цього комплексу. Принципово важливою властивістю біогео­ценозу, що відрізняє його від простого накопичення організмів, є наявність глибоких взаємних зв'язків між; усіма основними його компонентами. Це знайшло відображення в такому визна­ченні біогеоценозу, яке було сформульоване самим В. Сукачовим:«Біогеоценоз — це сукупність на відомому проміжку зем­ної поверхні однорідних природних явищ (атмосфери, гірської породи, грунту, гідрологічних умов, рослинності, тваринного світу та світу мікроорганізмів), що має свою, особливу спе­цифіку взаємодіїцих складових її компонентів та певний тип обміну речовий та енергії їх між собою та іншими явищами природи і, яка становить внутрішньо суперечливу діалек­тичну єдність, що перебуває в постійному русі, розвитку»

Свої уявлення про структуру біогеоценозу Сукачов висловив у схемі, відповідно до якої двома основними компонентами біогеоце­нозу є, по-перше, екотоп, що включає в себе кліматоп (тобто клімат, або усі абіотичні фактори) та едафотоп (ґрунт), а по-друге, біоценоз, куди входять фітоценоз, зооценоз та мікробіоценоз(Мал.9).

З тих пір, коли була запропонована ця схема, пройшло багато часу, а тому вона потребує деяких уточнень. Територію, до якої прив'язаний біогеоценоз, зараз часто називають біото­пом, оскільки цей термін вже давно застосовується в екології і відповідає певному змісту. У визначенні, яке розглядається, не вказано, що біогео­ценоз є комплексом не окремих організмів, а видових попу­ляцій. Таким чином, у теоретичній екології з'явилося два принци­пово важливі узагальнення: концепція екосистеми і вчення про біогеоценоз. У зв'язку з цим природно виникає питання: чи не є згадані поняття синонімами? Часто вони як такі й фігуру­ють. Дійсно, між ними є багато чого спільного. Оскільки, по суті, вони стосуються одних і тих самих складних комплексів, що об'єднують органічний світ та неживу природу, однак у той час як у визначенні екосистеми зазначено, що вона охоплює комплекси будь-якого масштабу (від акваріума до Світового океану), то щодо біогеоценозу підкреслюється його чітка тери­торіальна визначеність. Він прив'язаний до того чи іншого біо­топу.

Таким чином, основна відмінність між екосистемою та біогеоценозом полягає в територіальній оформленості. Еко­система — поняття більш гнучке, але менш визначене в своїх межах, тоді як біогеоценоз відрізняється більшою чіткістю як територіальна одиниця екосистеми.

Мал.9 Структура біогеоценозу

Зі схеми біогеоцинозу В.Сукачова видно, що він складається з двох основних частин- біотопу та біоценозу. Рослинне угрупування становить фундамент біологічної макросистеми. Отже, біогеоценоз (біоценоз), як будь-яка система характеризується певними структурами. В екології виділяють такі структури біоцеозу: просторову, видову та трофічну. Кожна екологічна система займає певний простір у біосфері. Але організми в цьому просторі роз­міщуються не довільно, а структурована. Це означає, що в зга­даному просторі є певні закономірності прояву екологічних факторів, які в певних дозах полюбляють ті чи інші організми.

Просторова структура. У просторовій структурі слід розрізняти вертикальну та гори­зонтальну її складові. Важливою властивістю у формуванні просторової струк­тури не тільки фітоценозу, а й усього біоценозу є ярусність(надземна та підземна) як вертикальна складова просторової структури. Вона має місце навіть у трав'янистих ценозах, але особливо добре виражена в дерево-чагарникових угрупованнях. У дея­ких складно скомпонованих насадженнях нараховують 5-6 ярусів, у тому числі 2-3 деревних, ярус підліску із чагарників, 1-2 яруси — чагарників та трав і на самій поверхні землі — яруси моху та лишайників. До одного і того самого ярусу від­носять види, подібні за своїми екологічними потребами, насам­перед щодо світла й тіні. Чим більше ярусів, тим більш різноманітним буде біоценоз. Розрізняють деревний, чагарни­ковий, трав'янистий та ґрунтовий яруси, які, в свою чергу, можна розділити на більш дрібні (ярус стовбурів, ярус крон дерев тощо). Якщо, наприклад, розглянути біоценоз стиглого змішаного соснового бору, то в цьому рослинному угрупованні сосна утворюватиме перший найвищий ярус. До другого ярусу відносять низькорослі дерева — березу, клен, осику, горобину та ін. Третій ярус становитимуть високі чагарники, як, наприклад, ліщина. Більш низькорослі чагарники входити­муть до четвертого ярусу (малина, ожина та ін.). П'ятий ярус формується за рахунок чагарників (чорниці, багно). Шостий ярус може бути представлений травами. До сьомого ярусу нале­жать мохи та лишайники.

Ярусність продовжується і в ґрунті. Це так звана підземна ярусність. Вона створюється завдяки різним типам та величині кореневої системи різних видів рослин. До коренів різних видів рослин теж тяжіють різні види організмів. На коренях бобових рослин утворюються кореневі бульбашки, де оселяються азот­фіксуючі мікроорганізми. У певних видів шляпкових грибів утворюється мікориза з коренями певних видів рослин, дерев (підвишенки, підберезники, підосичники, білий гриб тощо).

Горизонтальна складова просторової структурибіогео­ценозу(біоценозу) визначає територіальність екосистеми та її межі. У більшості випадків окремі рослинні угруповання чітко взаємно розрізняються за сукупністю зовнішніх ознак, як, наприклад, сосновий бір і темний ялиновий ліс. Кожний такий комплекс прив'язаний до певного простору з особливими умо­вами росту, наділений відповідними функціями та структурою, так що є всі підстави вважати, що він достатньо чітко окресле­ний у своїх кордонах. Іншими словами, біоценоз принаймні щодо рослинного угруповання повинен мати певні межі. Однак насправді це питання значно складніше. Одні рослинні угрупо­вання мають цілком дискретний характер, і кордони між ними досить чіткі. Такі, наприклад, лінійні межі між сусідніми лісами та ланами. Але в багатьох інших випадках, а вони навіть пере­важають, у природі спостерігають не різкі, а поступові пере­ходи одного угруповання в інше, які відбуваються в міру змін умов росту та складу рослинності. У такому випадку встано­вити межі між рослинними угрупованнями дуже тяжко, а часом навіть неможливо.

Тут доводиться виявляти не лінійні кордони, а певні пере­хідні смуги, що з'єднують (або роз'єднують), без сумніву, різні угруповання. При цьому треба мати на увазі, що, якими б не були ці перехідні смуги, вони завжди поступаються за площею основній частині угруповання і ніколи не перевищують її.

Якщо територіальне розмежування рослинних угруповань настільки складне, то це завдання є ще складнішим щодо тва­ринних угруповань. Для існування дрібних та малорухомих видів забагато обмеження простору самою рослиною чи її час­тиною, які служать місцем помешкання для них, як, наприклад, попелиці та подібні до них види комах. Таке мініатюрне біо­тичне угруповання становить якусь частину всього біоценозу і не виходить за його межі. Але велика кількість інших компо­нентів біоценозу відрізняються високою рухомістю і постійно потребують життєвих ресурсів, що розподілені (розпорошені) в різних біотопах. Так, хижі та деякі інші ссавці та птахи виво­дять нащадків та здобувають їжу в різних, іноді досить відда­лених одна від одної місцевостях, зовсім не схожих за еколо­гічними умовами. Це особливо видно в лісостепових дібровах, де шуліки, орли-карлики, соколи-балобани, а також; сірі чаплі та білі лелеки гніздяться в кронах вікових дубів та лип, але годуватися літають на навколишні поля, степові яри, річкові заплави, на водосховища та інші біотопи. В усіх подібних випадках межі біоценозів набувають дещо умовний характер, навіть там, де вони гранично чітко виражені у локальних рос­линних угрупованнях.

Перехід від одного біоценозу до іншого може бути більш-менш різким. Однак в усіх випадках існує перехідна зона, яка за наявності великих біотопів може охоплювати декілька десятків кілометрів, а у випадку невеликих біоценозів — становити всього декілька метрів. Перехідну зону називають екотопом. До нього відносять, наприклад, болотні простори, що знаходяться між ставком та наземними формаціями, які його оточують, зарості чагарників, що відділяють ліс від поля. Фауна екото­пів і щодо видів, і чисельно більш багата за фауну сусідніх біоценозів

Видова структура. Без сумніву, біоценотична роль усіх функціональних груп організмів в екосистемі неоднакова. Вона окрім усього іншого, визначається чисельністю різних актив­них компонентів. Тому серед живих компонентів біоценозу розрізняють домінуючі, впливові види. Серед рослин ми вже визначили види-едифікатори. Серед тварин до впливових груп відносять, по-перше, хоча й дрібних, але найбільш масових видів тварин, таких як мишоподібні гризуни, саранові, крово­сосні комарі та ін. По-друге, до впливових членів біоценозу належать нечисленні, але особливо великі та діяльні тварини, такі як хижаки, копитні тощо, які спричиняють відчутний вплив на угруповання.

Отже, видове різноманіття та чисельність кожного виду мають велике значення для функціонування екосистеми. Власне кількість видів та розподіл числа особин або їхньої біо­маси між видами, тобто ступінь рівномірності (нерівномірності) розподілу, становлять видову структуру біоценозу.

Трофічна структура. Загальновідомо, що вся різноманіт­ність прояву життя на Землі супроводжується перетворенням енергії, хоча енергія при цьому не створюється та не знищується (1-й закон термодинаміки, енергія може переходити з однієї форми в іншу, але не створюється заново та не зникає). Енергія, отримана завдяки сонячному випромінюванню поверхнею Землі, врівноважується енергією, що випромінюється з поверхні Землі у вигляді невидимого теплового випромінювання.

Сутність життя полягає в безперервній послідовності таких змін, як ріст, самовідтворення та синтез складних хімічних сполук. Без переносу енергії, що супроводжує всі ці зміни, не було б ні життя, ні екологічних систем.

Як раніше було встановлено (за визначенням Сукачова), в біогеоценозі повинен здійснюватися певний тип обміну речо­виною та енергією між компонентами, що входять до його складу. Тяжко собі уявити існування рослиноїдних тварин без рослин, або інших живих організмів без взаємодії з рядом живих організмів. Найголовніша взаємодія між живими орга­нізмами — це трофічні зв'язки, тобто поїдання одних організ­мів іншими. Вони забезпечують перенос енергії їжі від її дже­рела — зелених рослин — через ряд організмів. Трофічні зв'язки— це форма взаємодії між популяціями в біоценозі, яка проявляється в харчуванні особин одного виду за рахунок живих особин інших видів, продуктів їхньої життєдіяльності або їхніх мертвих залишків. Організація угруповання, що базується на трофічних взаємовідносинах популяцій, назива­ється трофічною структурою біоценозу.

Трофічна структура біоценозу передбачає існування при­наймні трьох різних груп організмів, які забезпечують перене­сення речовини та обмін енергією в ньому. Цим трьом групам організмів відповідають три складові частини біоценозу:

продуценти— фітоценоз;

консументи— зооценоз;

редуценти — мікробіоценоз.

Ланцюги та межі живлення. Органічна ре­човина, створена фотосинтезуючими рослинами, спожива­ється рослиноїдними тваринами і біоредуцентами. Розгляне­мо спрощений харчовий ланцюг, останньою ланкою якого є людина: посіви сільськогосподарських рослин — корова — людина. В середньому польові культури (рослинні) використо­вують в процесі фотосинтезу близько 1 % сонячної енергії.. Велика рогата худоба використовує на побудову свого тіла близько 10 % енергії речовин, що є в рослинних кормах, а людина засвоює близько 10 % енергії, що запаслась в тка­нинах тварини. При такому харчовому ланцюгу людина ви­користовує максимум близько 0,01 % сонячної енергії.

Енергетичні зв'язки між різними групами рослин і тва­рин або між окремими трофічними рівнями можна зобра­зити у вигляді ступінчастої піраміди, яка швидко звужуєть­ся при переході від одної ланки живлення до другої. Якщо розмістити один над одним прямокутники, ширина яких пропорційна продукції кожного харчового рівня, то вийде так звана піраміда продукції. При вивченні ланцюгів жив­лення в природних умовах такі піраміди називають еколо­гічними пірамідами (піраміди продукції, або енергії), В ланцюгах живлення виділяють також піраміду біомаси. В ній, як і в піраміді продуктивності, є подібне співвідно­шення біомас різних видів: організми кожного наступного трофічного рівня мають меншу масу від попереднього. Про­те є відхилення від цього правила. Так, в водних біоцено­зах біомаса фітопланктону може бути менша біомаси його споживача зоопланктону. Зоомаса біосфери складає приблизно 20 млрд. т сухої речовини, причому на долю тварин океану припадає близь­ко 3,5 млрд. т.

Загальна маса людей на планеті в даний період складає понад 200 млн. т. Якщо вважати, що кожна людина витра­чає за добу в середньому близько 2500 ккал енергії, то су­марна потреба енергії людьми складає приблизно 2,8х10¹⁵ ккал за рік. Ця величина приблизно відповідає су­часній продуктивності сільськогосподарського виробництва при використанні 1,2—1,45 млрд. га під посіви культур і близько 2,6 млрд. га під луки і пасовиська. Однак тільки значне збільшення продукції сільського господарства, під­вищення рівня виробництва білка, збільшена площ посів­них культур, повніша й раціональніша експлуатація океану створить можливість забезпечити населення земної кулі не­обхідною кількістю продуктів харчування.