Біотичні компоненти екосистеми

Автотрофи

Гетеротрофи

Фотоавтотрофи

Хемоавтотрофи

Консументи

Редуценти

Фаготрофи

Сапротрофи

Рисунок 2.2 - Біотичні компоненти екосистем

Усі названі групи організмів в будь-якій екосистемі тісно взаємодіють між собою, узгоджуючи потоки речовин та енергії. Їх спільне функціонування не тільки підтримує структуру і цільність біоценозу, але й оказує суттєвий вплив на абіотичні компоненти біотопа, сприяючи самоочищенню екосистеми, її середовища. Це особливо виявляється у водних екосистемах, де існують групи організмів-фільтраторів. Відомо, наприклад, яку велику роль в очищенні води озера Байкал відіграє невеликий рачок епішура.

Абіотичні компоненти – це наступні основні елементи неживої природи:

-неорганічні речовини та хімічні елементи, що приймають участь в обміні речовин між живою і мертвою матерією (діоксид вуглецю, вода, кисень, кальцій, магній, калій, натрій, залізо, азот, фосфор, сірка, хлор, тощо);

-органічні речовини, що зв’язують абіотичну і біотичну частини екосистем (вуглеводи, жири, амінокислоти, білки, гумінові речовини , тощо);

-фізичні чинники середовища – повітряне, водне або тверде середовище мешкання, кліматичний режим.

Важливою характеристикою екосистеми є різноманітність видового складу. При цьому виявляється ряд закономірностей:

-чим різноманітніші умови біотопів в межах екосистеми, тим більше видів вміщує відповідний біоценоз;

-чим більше видів вміщує екосистема, тим менше членів нараховують відповідні видові популяції. В біоценозах тропічних лісів при великій видовій різноманітності популяції відносно малочисленні. Навпаки, в системах з малою видовою різноманітністю (біоценози пустель, сухихи степів, тундри) деякі популяції досягають великої чисельності;

-чим більше різноманітність біоценоза, тим більше екологічна стійкість екосистеми; біоценози з малою різноманітністю піддаються великим коливанням чисельності домінуючих видів;

-системи, що експлуатуються людиною, наведені одним чи дуже малим числом видів (агроценози) нестійкі за своєю природою і не можуть самопідтримуватися;

-ніяка частина екосистеми не може існувати без іншої. Якщо з будь-якої причини здійснюється порушення структури екосистеми, зникає група організмів, вид, то за законом ланцюгових реакцій може сильно змінитися і навіть зникнути ціла спільність істот. Але часто буває й так, що через будь-який час після зникнення одного вида на його місці з’явдяються інші організми, інший вид, що виконує подібну функцію в екосистемі. Ця закономірність називається правилом заміщення або дублювання: в кожного вида в екосистемі є “дублер”. Таку роль звичайно виконують види менш спеціалізовані і в той же час екологічно більш стійкі, адптивні. так, копитних в степу заміщують гризуни. При цьому провідну роль відіграє близькість екологічних функцій груп організмів.

Усі екосистеми в складі біосфери є відкритими, вони повинні отримувати енергію, речовини і організми з середовища на вході і віддавати їх в середовище на виході екосистеми.

Часто екосистему виділяють всередені природних меж. Наприклад, кордоном озера слугує берегова стрічка, а кордонами міста – адміністративні межі. Проте, ці межі можуть бути й умовними. Екосистема не може бути герметичною, тому що її живий компонент не виніс би такого ув’язнення.

Просторова структура екосистем обумовлена тим, що автотрофні і гетеротрофні процеси звичайно розділені в просторі. Перші активно протікають в верхніх шарах, де доступне сонячне світло, а другі інтенсивніше в нижніх шарах (грунтах, донних відкладеннях). Крім того, ці процеси розілені і в часі, тому що існує часовий розрив між утворенням органічних речовин рослинами і розкладенням їх консументами.

Наприклад, в лісі лише невелика частина зеленої маси зараз же використовується тваринами, паразитами й комахами. Більша частина утвореного матеріала (листя, деревина, насіння, коріння та ін.) не споживається відразу і переходить у грунт або в донні відкладення. Можуть пройти тижні, місяці, роки і навіть тисячоліття (горючи копалини) перед тим, як накопичена органічна речовина буде використана.

Отже, з точки зору просторової структури в природних екосистемах можно виділити два яруси:

-верхній, автотрофний ярус, або “зелений пояс” Землі, який вміщує рослини або їх частини, що вміщують хлорофіл; тут господарюють процеси фіксації світла, використання простих неорганічних сполук і накопичення сонячної енергії в складних органічних речовинах;

-нижній, гетеротрофний ярус, або “коричньовий пояс” Землі, наведений грунтами і донними відкладеннями, в яких господарюють процеси розкладення мертвих органічних залишків рослин і тварин.

Питання для самоконтроля (ПАКЕТ 2)

Питання 2.1.Чи можна сказати, що до біотопу належать групи живих організмів?

Так.

Ні.

Питання 2.2.Чи можна вважати біотичні компоненти екосистеми більш складними порівняно з абіотичними?

Так.

Ні.

Питання 2.3.Чи можна сказати , що хемоавтотрофи відіграють провідну роль в синтезі органічних речовин на планеті?

Так.

Ні.

Питання 2.4.Чи можна вважати синонімами визначення “гетеротрофи” і “консументи”?

Так.

Ні.

Питання 2.5.Чи можна вважати роль редуцентів в біосфері менш важливою порівняно з продуцентами?

Так.

Ні.

Питання 2.6.Чи можна сказати , що штучні екосистеми, створені людиною, менш стійкі порівняно з природними?

Так.

Ні.

Питання 2.7.Чи можна сказати, що автотрофні і гетеротрофні процеси в екосистемі розділені в просторі?

Так.

Ні.

Параграф 2.2.

Головні властивості, будова та звязок біотичних та абіотичних компонентів екосистеми та їх участь в формуванні екосистем.Приклади екосистем. Відрізняючи ознаки екосистеми. Розвиток екосистеми. Концепція клімаксу.

Біотичні і абіотичні компоненти екосистем так тісно переплетені один з одним в єдиний комплекс, що розділити їх вкрай важко. Більша частина біогенних елементів і органічних сполук зустрічається як всередині, так і зовні живих організмів і утворює постійний потік між живим і неживим. Хоч деякі речовини можуть належати тільки одному з цих станів. Наприклад, хлорофіл зустрічається тільки в живих клітинах, він не функціонує зовні живих клітин, а гумус ніколи не зустрічається в організмах.

Спільність організмів і фізичне середовище розвиваються та функціонують як єдине ціле. Про це поперед усього свідчить склад атмосфери Землі з унікально високим вмістом кисню. Помірні температури і сприятливі для життя умови кислотності також були забезпечені ранішніми формами життя. Координована взаємодія рослин та мікроорганізмів згладжувало коливання фізичних чинників. Наприклад, NH₃, що вивільнювався організмами, підтримував у воді, грунтах та осадах величину рН, необхідну для їх життєдіяльності. Без цього значення рН могли б бути такими низькими, що організми не вижили б таких кислих умовах.

Функціонування екосистеми забезпечується взаємодією трьох основних складових частин: живих компонентів, потоку енергії та кругообігу речовин, що ілюструється блоковою моделлю за Ю. Одумом:

Рисунок 2.3. - Блокова модель екосистеми за Ю. Одумом:

А – автотрофи; Г – гетеротрофи; З – запаси споживних речовин

Потік енергії спрямований в один бік, частина її перетворюється автотрофами в органічну речовину, але більша частина енергії проходить крізь екосистему, залишає її у вигляді теплової енергії.

На відзнаку від енергії, елементи харчування і вода можуть використовуватися багаторазово. Розміри імпорту та експорту елементів харчування варіюють залежно від типа, розміра та віку екосистеми.

Взаємодія автотрофних і гетеротрофних процесів є найбільш важливою функцією будь-яких екосистем. На протязі значного геологічного періоду (приблизно 600 млн-1млрд років тому) невелика, але помітна частина органічної речовини, що синтезувалася, не розходувалася, а зберігалася і нагромаджувалася в осадах.

Саме перевага швидкості фотосинтезу над швидкістю розкладення органічних речовин й була причиною зменшення вмісту вуглекислого газу і накопичення кисню в атмосфері.

Це підтверджує хоч бі й той факт, що склад атмосфери Землі різко відрізняється від умов на інших планетах Сонячної системи. Склад атмосфери Землі без життя наближався б до складу атмосфери на Марсі або Венері (табл. 2.1). Таблиця 2.1

Порівняння складу атмосфери і температурних

умов на Землі та інших планетах (за Ю. Одумом)

Планета	Вміст основних газів в атмосфері, об.%			Температура поверхні,^оС
	СО2	N2	О2
Марс	95,0	2,7	0,13	-53
Венера	98,0	1,9	сліди	477
“Земля без життя”	98,0	1,9	сліди	290
Земля	0,03	78,09	20,93	13

Отже, саме зелені організми відіграли головну роль у формуванні геохімічного середовища Землі, сприятливого для існування усіх інших організмів.

Нагромаджена значна кількість кисню зробила моживим виникнення і еволюцію вищих форм життя. Приблизно 300 млн років тому відбувся великий надлишок органічної продукції, що призвело до утворення горючих копалин. За рахунок накопичення цієї енергії пізніше людина змогла здійснити промислову революцію. За останні 60 млн років в атмосфері виробилося відносно постійне співвідношення кисню (21%) та вуглекислого газу (0,03%).

Співвідношення,що склалося, швидкостей автотрофних і гетеротрофних процесів може слугувати одною з головних функціональних характеристик екосистем.

Відношення концентрацій СО₂ та О₂ відображує співвідноешння швидкостей цих процесі в екосистемах, тобто, співвідношення акумульованої продуцентами та розсіяної консументами енергії. При цьому в різних екосистемах баланс цих процесів може бути або позитивним, або негативним. Існують системи з перевагою автотрофних процесів, тобто, з позитивним біотичним балансом (тропічний ліс, мілке озеро, агроекосистема). В інших, навпаки, переважують гетеротрофні процеси, тобто, має місце негативний баланс (горна річка, місто).

Велику стурбованість повинна викликати діяльність людини, яка значно прискорює процеси розкладення, спалюючи органічну речовину, що нагромаджена в корисних копалинах. В повітря викидається велика кількість СО₂, який до цього був зв’язаний у вугіллі, нафті, торфі, деревині , тощо.

Співвідношення СО₂ та О₂ в атмосфері характеризує баланс автотрофних і гетеротрофних процесів в біосфері загалом.

Взагалі, продукційно-деструкційний баланс в біосфері цілком в сучасних умовах є позитивним. Це обумовлено тим, що не всі частини мертвих рослин і тварин руйнуються з однаковою швидкістю. Жири, цукри та білки розкладуються достатньо швидко, а деревина (клітковина, лігнін), кості – дуже повільно. Найбільш стійким проміжним продуктом розкладення органічних речовин є гумус, наступна мінералізація якого дуже уповільнена. Повільне розкладення гумусу – одна з причин запізнення деструкції порівняно з продукцією.

Загалом, можна сказати, що розкладення органічних останків – це довгий, багатоступеневий і складний процес, що контролює кілька важливих функцій екосистеми: повертання елементів харчування в кургообіг і енергії – в систему; перетворення інертних рречовин земної поверхні; підтримування складу атмосфери, що необхідний для життя.

Приклади екосистем.

Екосистеми можна розділити на чотири основні групи, серед яких три групи – це природні екосистеми, що належать до наземного, морського та прісноводного мешкання. Формування їх залежить від мікроклімату, а останній – від географічної широти місцевості. Важливими чинниками є: циркуляція повітря, розподіл сонячного світла, сезонність клімату, висота та орієнтація гір, гідродинаміка водних екосистем. До останньої групи належать антропогенні екосистеми, які займають екології особливе місце.

Природні екосистеми.

Наземні екосистеми в основному визначаються рослинністю, тому що рослини дуже залежать від клімату , а саме вони утворюють основну частину біомаси. Зв’язок клімату з географічним положенням можна спостерігати на прикладі змін температур. Середнього річна температура на ексаторі – 26^оС, на широті 40^о – біля 13^оС.Також як в напрямку від екватора на північ( або південь), похолодання здійснюється і з зростанням висоти на рівнем моря. Рослини, характерні для Арктики, можуть зустрічатися й в високогірних місцевостях (альпійська тундра, наприклад) Східну послідовність зміни рослинних угрупувань можна спостерігати, якщо проїхати тисячи кілометрів від екватора на північ, або просто піднятися в гори. Існують екосистеми, що займають проміжне положення. Наприклад, напіввічнозелений тропічний ліс з вологими та сухими сезонами. Кордони між екосистемами звичайно розмиті і виглядають як широкі перехідні зони.

Рисунок 2.4. - Зміна рослинних угрупувань залежно від географічної

широти і висоти в горах

Морські екосистеми в меншій мірі залежать від клімату, ніж наземні. Вони формуються залежно від глибини водоймища і вертикального розміщення організмів. Найважливіше значення має те, що фотосинтез можливий лише в поверхневих горизонтах води.

Прісні внутрішні водоймища,як правило, неглибокі. Ведучим чинником в цих екосистемах є швидкість циркуляції води. За цією ознакою розрізняють текучи ( річки, струмки) й стоячі ( озера, ставки) води.

Розвиток екосистем.

Спостереження в природі показують, що занедбані поля або згорілий ліс поступово завойовуються багаторічними дикими травами, потім чагарниками, і кінець кінцем – деревами. Розвиток екосистем за засом відомий в екології під назвою екологічних сукцесій.

Екологічна сукцесія – це послідовна зміна біоценозів, які виникають на одній й тій же теріторії під дією природних або антропогенних чинників.

Деякі угрупування залишаються стабільними багато років, інші швидко змінюються. Зміни здійснюються у всіх екосистемах природним або штучним шляхом. Природні зміни є закономірними й керуються самим угрупуванням. Якщо сукцесіонні зміни визначаються в основному внутрішньою взаємодією – це аутогенна сукцесія. Якщо зміни викликаються зовнішніми силами на вході в екосистему (шторм, пожар, дія людини), то таку сукцесію називають алогенною сукцесією. Процеси сукцесії йдуть безперервно на всій планеті.

Послідовні угрупування, що смінюють одне одного на даному просторі, називаються серіями.

Сукцесія, що починається на ділянці, що допріж не була зайнята, називається первинною. Наприклад, розташування лішаїв на камінні: під дією відходів лішаїв каміння поступово перетворюється на грунт, де оселюються трави, чагарники, дерева.

Якщо угрупування розвивається на місці того, що вже існувало, то говорять про вторинну сукцесію. Наприклад, зміни, що проходять після рубки ліса, будівлі ставка або водосховища.

Швидкість сукцесій різна. В історичному плані зміна фауни й флори за геологічними періодами є не що інше як екологічні сукцесії. Вони тісно пов’язані з геологічними і кліматичними змінами і еволюцією видів. Такі зміни проходять дуже повільно. Для первинних сукцесій потрібні сотні й тисячи років. Вторинні сукцесії протікають швидкіше. Для відновлення рослинної біомаси на місці рубки лісу, лісної пожежі треба від 30-50 до 250 років.

Рисунок 2.5 - Вторинна сукцесія у помірному кліматі

Сукцесія починається з незбалансованого угрупування, у якого продукція органічної речовини П або більше, або менше швидкості розкладення (дихання) Д і угрупування прагне до стану , де П=Д. Сукцесія, що починається при П>Д, називається автотрофною, а при П<Д – гетеротрофною. Відношення П/Д є функціональним показником зрілості екосистеми.

Автотрофна сукцесія – широко розповсюджене в природі явище, яке починається в незаселеному середовищі: формування лісу на кинутих землях або відновлення життя після виверження вулканів або інших природних катастроф. Вона характеризується перевагою автотрофних організмів.

Гетеротрофна сукцесія характеризується перевагою бактерій і зустрічається тоді, коли середовище пересичене органічними речовинами. Наприклад, в річці, що забруднена стічними водами з великим вмістом органічних речовин, або на очисних спорудах. При гетеротрофних сукцесіях енергетичні запаси можуть поступово зникати, тоді після вичерпання енергетичних ресурсів екосистема може зникнути ( наприклад, дерево, що гине).

Клімаксна екосистема. В будь-якій сукцесійній серії темпи змін, що відбуваються, поступово уповільнюються. Кінцевим ітогом є формування відносно стійкої стадії – клімаксної екосистеми, або клімаксу. В клімаксних екосистемах утворюється складна сітка взаємовідношень, які підтримують її стабільний стан. Теоретично такий стан повинен бути постійним за часом і існувати до тих пір, поки його не зруйнують потужні зовнішні обурення. Чим більше відношення П/Д віддалюється від 1, тим менш зрілою і менш стійкою буде екосистема. В клімаксних екосистемах це відношення наближається до 1.

Питання для самоконтролю

Питання 2.8. Чи можна сказати, що якщо біогенні органічні речовини зустрічаються зовні живих організмів, вони обов’язково повинні бути в складі живих організмів?

Так.

Ні.

Питання 2.9. Чи можна вважати, що перевага автотрофних процесів в екосистемі над гетеротрофними сприяє нагромадженню кисню в атмосфері планети?

Так.

Ні.

Питання 2.10. Чи можна сказати, що саме зелені організми відіграли головну роль у формуванні геохімічного середовища Землі, сприятливого для існування усіх інших організмів?

Так.

Ні.

Питання 2.11. Чи можна сказати, що зараз продукційно-деструкційний баланс в біосфері є позитивним?

Так.

Ні.

Питання 2.12. Чи можна сказати, що якщо зміни в екосистемі визначаються зовнішньою дією, то це повинна бути обов’язково діяльність людини?

Так.

Ні.

Питання 2.13. Чи можна сказати, що в клімаксній екосистемі врівноважені автотрофні і гетеротрофні процеси?

Так.

Ні.