Екологія спільнот. Основи глобальної екології

План вивчення теми

1. Екосистема та біогеоценоз.

2. Первинна продукція екосистем. Значення та особливості процесу фотосинтезу. Хемосинтез.

3. Трофічні ланцюги. Основні закони стійкості і функціонування екологічних систем.

4. В.І. Вернадський та його вчення про біосферу та ноосферу.

5. Сучасні уявлення про біосферу. Основи стійкості і саморегуляції біосфери.

6. Кругообіги хімічних елементів в біосфері.

Екосистема та біогеоценоз

Екосистема - складний природний комплекс живих істот, що взаємодіють з неорганічним середовищем та знаходяться в матеріально-енергетичній залежності від неї. Цей термін запровадив англійський біолог А.Тенслі у 1935 році. Для зручності вчені розглядають екосистему як ізольовану одиницю (рілля, озеро, пасовище, струмок тощо), проте фактично різні компоненти постійно переміщуються з однієї екосистеми в іншу. По своїй суті це динамічно урівноважена система, що склалася в результаті довгої та глибокої адаптації складових компонентів, в якій здійснюється кругообіг речовин. Екосистема – не проста сукупність живих організмів та оточуючого середовища, це діалектична єдність усіх екологічних компонентів, обумовлена взаємозалежністю та причинно-наслідковими зв’язками. У кожній екосистемі відбуваються кругообіг речовин та обмінні енергетичні процеси. Кожна екосистема складається з біоценозу та біотопу.

Біотоп – це ділянка поверхні землі з більш-менш однотипними умовами існування (ґрунтом, мікрокліматом тощо).

Біоценоз - це історично сформована сукупність рослин, тварин та мікроорганізмів, що населяє біотоп. Відповідно до цього кожний біоценоз складається з фітоценозу (угрупування рослин), зооценозу (угрупування тварин) та мікроценозу (угрупування мікроорганізмів).

Крім природних екосистем, існують також штучні екосистеми: космічна станція, акваріум, вазон із кімнатною рослиною тощо. Біоценози земної кулі утворюють біоценотичний покрив, який вивчає біогеоценологія. Заснував цю науку видатний російський вчений В.Н. Сукачов (рис. 3.1). Сукупність всіх біогеоценозів нашої планети утворює велетенську екосистему – біосферу. Біоценози можуть формуватися на будь-якій ділянці земної поверхні – на суші і на воді. Вони бувають степовими, болотними, луговими і т.д. Велике значення в функціонуванні біосфери мають гідробіоценози. Ділянки земної поверхні, покриті культурними рослинами, називаються агрофітоценозами. В структурі будь-якої екосистеми можна виділити чотири функціональні компоненти:

1) абіотичне оточення, тобто весь комплекс неживої природи, звідки біоценоз черпає засоби для існування і куди виділяє продукти обміну;

2) комплекс автотрофних організмів, що забезпечують органічними речовинами, а отже, і енергією всі інші організми - це первинні продуценти органічної речовини, асимілюючі сонячну енергію (фототрофні рослини, фотосинтезуючі бактерії);

Біогеоценоз

Рис. 3.1. Схема будови біогеоценозу (за В.М. Сукачовим)

3) комплекс гетеротрофних організмів – консументів, які живуть за рахунок поживних речовин, створених первинними продуцентами. Консументами є тварини та безхлорофільні рослини;

4) комплекс організмів, які розкладають органічні сполуки до мінерального стану. Це редуценти, представлені мікроорганізмами – бактеріями, грибами, простішими, а також організмами, які живляться мертвими органічними речовинами.

Між усіма чотирма ланками існує закономірний зв’язок. Взаємодія організмів в екосистемі надзвичайно складна. Взаємодія біоценозів з біотопами відбувається через речовинно-енергетичний обмін. Для кожної екосистеми характерний свій біологічний кругообіг речовин, який здійснюється внаслідок існування в екосистемах трофічних ланцюгів (ланцюгів живлення).

Пасовищний ланцюг живлення – це ряд живих організмів, у якому кожний вид живиться попередниками в ланцюзі та в свою чергу служить їжею для видів, які посідають вищий рівень. Наприклад, у водоймах фітопланктон поїдається зоопланктоном, останній – дрібною рибою, що є здобиччю великих риб – хижаків, які в свою чергу споживаються людиною. Мова йде про певні угрупування рослин, тварин і мікроорганізмів, які взаємодіють один з одним і з навколишнім середовищем. Кожний живий організм або їх сукупність виконують певну біологічну функцію, яка або починає якийсь процес, або служить його проміжною ланкою, або завершує його. Така узгоджена та взаємозв’язана діяльність живих організмів Землі перебуває в тісному зв’язку з навколишнім середовищем та його основними факторами і створює екологічну систему, цілісність якої утримується сталими потоками речовини та енергією між компонентами екосистеми.

Дуже великі наземні екосистеми називають біомами. Наприклад, ліси помірного поясу, пустелі, хвойні ліси, савани тощо. Кожний біом включає в себе цілий ряд менших за розмірами взаємозв’язаних одна з одною екосистем. Одна з них може бути великою – площею декілька мільйонів квадратних кілометрів, інша може являти собою невелику галявину. Важливо те, що кожну екосистему можна визначити як більш-менш своєрідне угрупування рослин і тварин, які взаємодіють одне з одним і з довкіллям.

Щоб вияснити цілісність біосфери, необхідно з’ясувати, як вона функціонує. Оскільки вона складається з безлічі екосистем, необхідно знати їх структуру. У кожній екосистемі два основних компоненти: організми, з однієї сторони, і фактори неживої природи – з іншої. Таку сукупність організмів (рослин, тварин, мікроорганізмів) називають біотою (від лат. bio - життя) екосистеми. Шляхи взаємодії різних категорій організмів – це її біотична структура. Неживі (хімічні і фізичні) фактори навколишнього середовища називаються абіотичними. Незважаючи на велику різноманітність екосистем – від пустель до тундри, всім їм, на думку екологів, властива приблизно однакова біотична структура, всі вони містять одні й ті ж категорії організмів, які подібно взаємодіють у всіх екосистемах. Це такі категорії: продуценти, консументи, редуценти.

Продуценти, або автотрофи– це організми, що створюють органічну речовину за рахунок утилізації сонячної енергії, води, вуглекислого газу, та мінеральних солей. Продуцентами в екосистемі називають зелені рослини, оскільки вони самі утворюють для себе їжу. Їх на Землі є близько 350000 видів, а маса, за підрахунками В.Вернадського, становить близько 2,4∙10¹² т. На перший погляд здається, що зелені рослини незалежні від інших організмів; однак вчені стверджують, що якби на Землі існували тільки зелені рослини, то, кінець кінцем, усі мінеральні речовини виявилися б зв’язаними в цих рослинах (у багатьох випадках – в їхніх мертвих рештках), і ріст рослин припинився б. Цього не відбувається тому, що інші організми – редуценти (або мікроконсументи) використовують поживні речовини, що містяться у мертвих рослинах, і як джерело енергії, і як їжу, розкладаючи при цьому органічні сполуки на простіші неорганічні. У такому вигляді їх здатні поглинати й використовувати живі рослини.

Редуценти – мікроорганізми, що розкладають органічну речовину продуцентів і консументів до простих сполук – води, вуглекислого газу й мінеральних солей. До редуцентів належать бактерії, гриби. Їх налічується 75 тис. видів, а сумарна маса становить 1,8∙10⁸ т.

Енергія та елементи живлення, що містяться в організмах живих продуцентів, споживаються в більшості природних екосистем не тільки редуцентами, а й консументами, або фаготрофами. Консументи – це гетеротрофічні організми, що одержують енергію за рахунок харчування автотрофами чи іншими консументами. До них належать переважно тварини, які живляться іншими організмами або частинками органічної речовини. Серед них є травоїдні (тварини, що живляться рослинною їжею), усеїдні (тварини, що споживають як рослинну, так і тваринну їжу), м’ясоїдні, а також паразити. Кількість видів цієї групи найбільша – понад 1,5 млн., а їхня маса становить близько 2,3∙10⁸ т.

За масштабами екосистеми поділяються на мікроекосистеми, мезоекосистеми і макроекосистеми. У мікроекосистемах невеличкі, тимчасові біоценози, що називаються синузіями, перебувають у обмеженому просторі. До таких екосистем належать трухляві пеньки, мертві стовбури дерев, мурашники тощо. Найбільш поширеними серед екосистем є мезоекосистеми або біогеоценози, в яких біоценози займають однотипні ділянки земної поверхні з однаковими фізико-географічними умовами і межі яких, як правило, збігаються з межами відповідних фітоценозів. Макроекосистемиохоплюють величезні території чи водні акваторії, що визначаються характерним для них макрокліматом і відповідають цілим природним зонам. До макроекосистем належать екосистеми тундри, тайги, степу, пустелі, савани, листяних і мішаних лісів помірного поясу, субтропічного і тропічного лісів, а також морські екосистеми. Прикладом глобальної екосистеми є біосфера нашої планети.

За ступенем трансформації людської діяльності екосистеми поділяються на природні, антропогенні та антропогенно-природні. У промислово розвинутих країнах, на захоплених людською діяльністю територіях, природних екосистем майже не залишилося, хіба що в заповідниках. Лісові насадження, луки, ниви – все це антропогенно-природні екосистеми, які хоча й складаються майже виключно з природних компонентів, але створені й регулюються людьми. До антропогенних екосистем належать екосистеми, в яких переважають штучно створені антропогенні об’єкти і в яких, крім людей, можуть існувати лише окремі види організмів, що пристосувалися до цих специфічних умов. Прикладом таких антропогенних екосистем є міста, промислові вузли, села (в межах забудови).