Тема 6. Екосистеми – основні структурні одиниці біосфери

Питання за темою:

1. Ресурси та умови існування екосистем. Грунт як біокосний елемент екосистем.

2. Живі організми в екосистемах. Біоценози.

3. Продукційний процес. Продуценти, консументи і редуценти.

4. Різноманіття екосистем. Трофічні ланцюги та трофічні піраміди.

5. Агроекосистеми.

6. Тваринницькі ферми і комплекси як штучні екологічні системи.

Методичні поради

Екосистема – це просторова система, що охоплює історично сформований комплекс живих організмів, пов'язаних між собою трофічними зв'язками, та неживих компонентів середовища їх існування, які залучаються в процесі обміну речовин та енергії. У кожній екосистемі відбувається кругообіг речовин та обмінні енергетичні процеси.

Основними властивостями екосистем є їх цілісність і відносна стійкість, що виявляється у здатності до саморегуляції і самооновлення.

Кожна екосистема складається з біотопу та біоти.

Біотоп – це ділянка поверхні землі з більше або менше однотипними умовами існування (ґрунтом, мікрокліматом тощо).

Біота – це сукупність існуючих у певному біотопі живих організмів.

Екосистема – це поняття безрозмірне, вона не має фіксованих меж на території. Наприклад, можна говорити про екосистему лісу в цілому і про екосистему пенька чи стовбура дерева, що впало та гниє. Екосистемами є невеличкий ставок і світовий океан. Поняття екосистем поширюється і на штучно створені людиною об'єкти. Зокрема, екосистемами є сільськогосподарські угіддя, садки, очисні споруди тощо.

Для характеристики екосистем використовують досить великий набір ознак:

а) видовий склад живих організмів, типовий для даної екосистеми;

б) співвідношення в екосистемі організмів з різними типами живлення;

в) розмір створюваної в екосистемі первинної та вторинної біопродукції;

г) інтенсивність потоку енергії через екосистему та швидкість кругообігу речовин;

д) режим абіотичних умов та ресурсів.

Абіотичні фактори визначають можливість існування всіх груп організмів у тому чи іншому середовищі, впливаючи на географічне поширення рослин, тварин та мікроорганізмів. В екосистемах абіотичні фактори виступають як ланка, що зв'язує різні групи організмів і забезпечує структурно-функціональну цілісність екосистем.

За своїм значенням абіотичні фактори в екосистемах поділяються на дві групи:

1. Ресурси, тобто фактори, що використовуються живими організмами та розподіляються між ними. Це, наприклад, вода, поживні речовини тощо.

2. Умови існування, тобто неподільні абіотичні фактори, які не витрачаються в процесі життєдіяльності та однаковою мірою впливають на всі живі організми в даній екосистемі. Типовим прикладом умов існування є температура та рН ґрунту.

Виділяють також:

а) кліматичні фактори – температура, режим освітленості, повітря та деякі інші;

б) едафічні фактори – вони включають у себе ресурси та умови, пов'язані з ґрунтом: тип ґрунту, його фізико-хімічні особливості, склад ґрунтового розчину тощо;

в) фактори, що діють у товщі води та мають значення для водних екосистем.

Грунт, як біокосний елемент екосистеми. У 80-х роках XX століття В.В.Докучаєв визначив грунт як природно-історичне тіло, що утворюється під впливом клімату та живих організмів із геологічних порід. Тобто, без живих організмів ґрунту бути не може.

Для утворення грунту необхідно п'ять головних факторів:

1) наявність материнської гірської породи, яка виступає як матеріальне джерело формування ґрунту;

2) наявність живих організмів;

3) рельєф місцевості, який впливає на характер трансформації гірської породи живими організмами і тип грунту, що формується;

4) клімат;

5) час, оскільки ґрунтоутворення є досить повільним процесом.

Але центральним фактором ґрунтоутворення все ж таки є живі організми. Саме вони в сукупності з дією чотирьох інших факторів утворюють зовсім нове біокосне тіло – грунт.

Екосистемні функції грунту різноманітні. Він забезпечує рослини поживними речовинами та водою, трансформує всі інші кліматичні фактори, виконує консервуючу роль.

Грунти є динамічним утворенням. Швидкість процесу ґрунтоутворення залежить від типу материнської породи, клімату та активності живих організмів, що населяють його. Але, незважаючи на динамічність грунту, порівняно з іншими компонентами екосистем, він найбільш стабільно зберігає свої основні властивості й структуру.

Кожна екосистема відрізняється своєрідним потоком енергії та кругообігом речовин. Обидва ці процеси опосередковані наявністю в екосистемах живих організмів.

Сукупність всіх живих організмів екосистеми називають біоценозом. Залежно від систематичної належності організмів біоценози розділяються на:

а) фітоценози, що утворені рослинами;

6) зооценози, що являють собою сукупність усіх тварин екосистеми;

в) мікробоценози, що сформовані мікроорганізмами, які населяють підземну частину екосистеми.

Між живими організмами екосистем існують різноманітні зв'язки. Одними з центральних зв'язків, які об'єднують досить різні організми в єдину екосистему, є харчові, або трофічні. Харчові зв'язки об'єднують між собою організми за принципом "їжа–споживач". Охоплення цим принципом всіх живих організмів призводить до виникнення харчових, або трофічних ланцюгів. Завдяки харчовим взаємовідносинам здійснюється трансформація біогенних речовин і енергії та розподілення їх між популяціями.

Ланцюг живлення включає три основні ланки. Першу ланку утворюють продуценти. Це автотрофні зелені рослини, які в процесі фотосинтезу утворюють органічну речовину. Друга ланка представлена консументами – гетеротрофними організмами, що живляться рослинами чи іншими гетеротрофами. Розрізняють консументи першого порядку – фітофаги; другого порядку – тварини, які харчуються фітофагами (хижі звірі); третього порядку – хижаки, що живляться іншими тваринами і т.д. Третя ланка – це редуценти – руйнівники органічної речовини. До них належать мікроорганізми, гриби і організми, які живляться мертвою органічною речовиною і мінералізують її до простих органічних речовин.

Харчовий ланцюг складається в середньому з 4–6 ланок. Однак такі ланцюги в чистому вигляді в природі не зустрічаються, оскільки одні і ті ж види організмів можуть одночасно бути в різних ланках. Місце кожної ланки у ланцюгу живлення називають трофічним рівнем.

У трофічних ланцюгах органічна речовина, що використовується, завжди несе в собі ту чи іншу кількість зв'язаної енергії. При переході від однієї ланки трофічного ланцюга до іншої передача зв'язаної енергії не відбувається: до 80–90% її розсіюється у вигляді тепла. Ця обставина є головним лімітом довжини трофічних ланцюгів.

В екології співвідношення чисельності організмів, їх біомас або зв'язаної в біомасі енергії зображують у формі екологічних пірамід. Є три основні типи екологічних пірамід:

- піраміда чисел показує чисельність окремих організмів;

- піраміда біомаси характеризує загальну суху вагу, калорійність або іншу міру загальної кількості живої речовини;

- піраміда енергії відповідає величині потоку енергії або "продуктивності" на послідовних трофічних рівнях.

Природно, що екологічні піраміди, як правило, звужуються від основи до вершини. Для пірамід енергії таке звуження – це взагалі універсальний закон. В екологічних пірамідах чисельності та біомас верхні рівні іноді можуть бути ширші, ніж нижні.

Класифікація екосистем. За масштабами екосистеми поділяються на мікроекосистеми, мезоекосистеми і глобальні екосистеми.

У мікроекосистемах невеличкі, тимчасові біоценози, що називаються синузіями, перебувають у обмеженому просторі. До таких екосистем належать трухляві пеньки, мертві стовбури дерев, мурашники тощо.

Мезоекосистеми або біогеоценози – це найбільш поширені екосистеми, в яких біоценози займають однотипні ділянки земної поверхні з однаковими фізико-географічними умовами.

Глобальні екосистеми (макроекосистеми) охоплюють величезні території чи акваторії, що визначаються характерним для них макрокліматом і відповідають цілим природним зонам. Біоценози таких екосистем називають біомами. Прикладом глобальної екосистеми є біосфера нашої планети.

За ступенем трансформації людською діяльністю екосистеми поділяються на природні, антропогенні та антропогенно-природні.

Штучними екологічними системами, створеними людиною, є агроекосистеми і тваринницькі ферми та комплекси. Агроценози – вторинні, змінені людиною біоценози, які стали основними елементарними одиницями біосфери. Основою агроценозу є штучний біоценоз, у деяких випадках доповнений угрупуваннями птахів і ссавців, комах-запилювачів тощо. Всі штучно створені у сільськогосподарській практиці екосистеми полів, садів, пасовищних луків, теплиць та інших агроценозів є системами, які спеціально підтримуються людиною на початковому етапі. Агроценози, однак, не здатні до само­відтворення і саморегуляції, піддаються загрозі загибелі від масового розмноження шкідників чи хвороб.

Тваринницькі ферми і комплекси – штучні екосистеми, одним з головних компонентів яких є популяція домашніх тварин. У таких системах ознаки, які характерні для природних біогеоценозів, виражені слабо або зовсім не виражені. В них людина значно змінила зв'язки тварин як гетеротрофів з іншими компонентами біоценозу – з рослинами (автотрофами) і мікроорганізмами (редуцентами). Зміна мікроклімату як фактора середовища впливає на стан здоров'я тварин, їх продуктивність, відтворювальну здатність, стійкість до захворювань. Порушення температурного та світлового режиму тваринницьких приміщень, різкі зміни вологості, забруднення повітря шкідливими газами (вуглекислий газ, азот, сірководень та ін.), пилом, мікроорганізмами може обумовити захворювання тварин. Значне збільшення щільності популяцій сільськогосподарських тварин на фермах і комплексах, підвищення звукового фону є причиною перенапруження (стресу) і пов'язаних з ним захворювань. Крім того, на фермах, як штучних екосистемах, харчові ланцюги знаходяться під впливом діяльності людини. Несприятливі зміни харчових ланцюгів, зокрема недотримання технології заготівлі, зберігання та переробки кормів, можуть стати причиною зниження вгодованості тварин та виникнення аліментарних захворювань.