Оглавление

Понятие экосистем 1

Строение, состав  экосистемы 2

Продуктивность  экосистем 5

Экологические функции экосистем 6

Заключение 10

Список  литературы 11 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Понятие экосистем

Экосисте́ма, или экологи́ческая систе́ма (от др.-греч. οἶκος — жилище, местопребывание и σύστημα — система) — биологическая система, состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними. Одно из основных понятий экологии. Пример экосистемы — пруд с обитающими в нём растениями, рыбами, беспозвоночными животными, микроорганизмами, составляющими живую компоненту системы, биоценоз. Для пруда как экосистемы характерны донные отложения определенного состава, химический состав (ионный состав, концентрация растворенных газов) и физические параметры (прозрачность воды, тренд годичных изменений температуры), а также определённые показатели биологической продуктивности, трофический статус водоёма и специфические условия данного водоёма. Другой пример экологической системы — лиственный лес в средней полосе России с определённым составом лесной подстилки, характерной для этого типа лесов почвой и устойчивым растительным сообществом, и, как следствие, со строго определёнными показателями микроклимата (температуры, влажности, освещённости) и соответствующим таким условиям среды комплексом животных организмов. Немаловажным аспектом, позволяющим определять типы и границы экосистем, является трофическая структура сообщества и соотношение производителей биомассы, её потребителей и разрушающих биомассу организмов, а также показатели продуктивности и обмена вещества и энергии. 

Идеи единства всего  живого в природе, его взаимодействия и обуславливания процессов в природе ведут своё начало с античных времён. Однако приобретать современную трактовку понятие стало на рубеже XIX—XX веков. Так, немецкий гидробиолог К. Мёбиус в 1877 году описывал устричную банку как сообщество организмов и дал ему название «биоценоз». В классическом труде американского биолога С. Форбса (англ.)русск. озеро со всей совокупностью организмов определяется как «микрокосм» («Озеро как микрокосм» — «The lake as a microcosme»  (англ.), 1887). Современный термин впервые был предложен английским экологом А. Тенсли (англ.)русск. в 1935 году. В. В. Докучаев также развивал представление о биоценозе как о целостной системе. Однако в русской науке общепринятым стало введённое В. Н. Сукачёвым понятие о биогеоценозе (1944). В смежных науках существуют также различные определения, в той или иной степени совпадающие с понятием «экосистема», например, «геосистема» в геоэкологии или введённые примерно в тот же период другими учёными «голоцен» (Ф. Клементс, 1930) и «биокосное тело» (В. И. Вернадский, 1944)[2][3]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Строение, состав  экосистемы

В экосистеме можно  выделить два компонента — биотический  и абиотический. Биотический делится  на автотрофный (организмы, получающие первичную энергию для существования  из фото- и хемосинтеза или продуценты) и гетеротрофный (организмы, получающие энергию из процессов окисления  органического вещества — консументы и редуценты) компоненты, формирующие трофическую структуру экосистемы. 

Единственным источником энергии для существования экосистемы и поддержания в ней различных  процессов являются продуценты, усваивающее энергию солнца, (тепла, химических связей) с эффективностью 0,1 — 1 %, редко 3 — 4,5 % от первоначального количества. Автотрофы представляют первый трофический уровень экосистемы. Последующие трофические уровни экосистемы формируются за счёт консументов (2-ой, 3-й, 4-й и последующие уровни) и замыкаются редуцентами, которые переводят неживое органическое вещество в минеральную форму (абиотический компонент), которая может быть усвоена автотрофным элементом.

Основные компоненты экосистемы 

С точки зрения структуры в экосистеме выделяют:

климатический режим, определяющий температуру, влажность, режим освещения и прочие физические характеристики среды;

неорганические вещества, включающиеся в круговорот;

органические соединения, которые связывают биотическую  и абиотическую части в круговороте  вещества и энергии;

продуценты — организмы, создающие первичную продукцию;

макроконсументы, или фаготрофы, — гетеротрофы, поедающие другие организмы или крупные частицы органического вещества;

микроконсументы (сапротрофы) — гетеротрофы, в основном грибы и бактерии, которые разрушают мёртвое органическое вещество, минерализуя его, тем самым возвращая в круговорот. 

Последние три компонента формируют биомассу экосистемы. 

С точки зрения функционирования экосистемы выделяют следующие функциональные блоки организмов (помимо автотрофов):

биофаги — организмы, поедающие других живых организмов,

сапрофаги — организмы, поедающие мёртвое органическое вещество. 

Данное разделение показывает временно-функциональную связь  в экосистеме, фокусируясь на разделении во времени образования органического  вещества и перераспределении его  внутри экосистемы (биофаги) и переработки сапрофагами. Между отмиранием органического вещества и повторным включением его составляющих в круговорот вещества в экосистеме может пройти существенный промежуток времени, например, в случае соснового бревна, 100 и более лет. 

Все эти компоненты взаимосвязаны в пространстве и  времени и образуют единую структурно-функциональную систему.

Экотоп

 Обычно понятие  экотоп определялось как местообитание организмов, характеризующееся определённым сочетанием экологических условий: почв, грунтов, микроклимата и др. Однако, в этом случае это понятие фактически почти идентично понятию климатоп. 

На данный момент под  экотопом в отличие от биотопа понимается определённая территория или акватория со всем набором и особенностями почв, грунтов, микроклимата и других факторов в неизменённом организмами виде. Примерами экотопа могут служить наносные грунты, новообразовавшиеся вулканические или коралловые острова, вырытые человеком карьеры и другие заново образовавшиеся территории. В этом случае климатоп является частью экотопа.

[править]

Климатоп

Изначально «климатоп» был определён В. Н. Сукачёвым (1964) как воздушная часть биогеоценоза, отличающаяся от окружающей атмосферы своим газовым составом, особенно концентарией углекислого газа в приземном биогоризонте, кислорода там же и в биогоризонтах фотосинтеза, воздушным режимом, насыщенностью биолинами, уменьшенной и изменённой солнечной радиацией и освещённостью, наличием люминесценции растений и некоторых животных, особым тепловым режимом и режимом влажности воздуха. 

На данный момент это  понятие трактуется чуть более широко: как характеристика биогеоценоза, сочетание  физических и химических характеристик  воздушной или водной среды, существенных для населяющих эту среду организмов. Климатоп задаёт в долговременном масштабе основные физические характеристики существования животных и растений, определяя круг организмов, которые могут существовать в данной экосистеме. 

Эдафотоп 

Под эдафотопом обычно понимается почва как составной элемент экотопа. Однако более точно это понятие следует определять как часть косной среды преобразованной организмами, то есть не всю почву, а лишь её часть. Почва (эдафотоп) является важнейшей составляющей экосистемы: в нём происходит замыкание циклов вещества и энергии, осуществляется перевод из мёртвого органического вещества в минеральные и их вовлечение в живую биомассу. Основными носителями энергии в эдафотопе выступают органические соединения углерода, их лабильные и стабильные формы, они в наибольшей степени определяют плодородие почв.  

Биотоп 

«Биотоп» — преобразованный  биотой экотоп или, более точно, участок территории, однородный по условиям жизни для определённых видов растений или животных, или же для формирования определённого биоценоза.

Биоценоз 

Биоценоз — исторически  сложившаяся совокупность растений, животных, микроорганизмов, населяющих участок суши или водоёма (биотоп). Не последнюю роль в формировании биоценоза играет конкуренция и  естественный отбор. Основная единица биоценоза — консорция, так как любые организмы в той или иной степени связаны с автотрофами и образуют сложную систему консортов различного порядка, причём это сеть является консортом всё большего порядка и может косвенно зависеть от всё большего числа детерминантов консорций. 

Также возможно разделение биоценоза на фитоценоз и зооценоз. Фитоценоз — это совокупность растительных популяций одного сообщества, которые и формируют детерминантов  консорций. Зооценоз — это совокупность популяций животных, которые и являются консортами различного порядка и служат механизмом перераспределения вещества и энергии внутри экосистемы

Биотоп и биоценоз вместе формируют биогеоценоз/экосистему. 
 
 
 

Продуктивность  экосистем

При анализе продуктивности и потоков вещества и энергии  в экосистемах выделяют понятия  биомасса и урожай на корню. Под урожаем  на корню понимается масса тел  всех организмов на единице площади  суши или воды, а под биомассой  — масса этих же организмов в  пересчёте на энергию (например, в  джоулях) или в пересчёте на сухое  органическое вещество (например, в  тоннах на гектар). К биомассе относят  тела организмов целиком, включая и  витализированные омертвевшие части и не только у растений, к примеру, кора и ксилема,но и ногти и ороговевшие части у животных. Биомасса превращается в некромассу только тогда, когда отмирает часть организма (отделяется от него) или весь организм. Часто зафиксированные в биомассе вещества являются «мёртвым капиталом», особенно это выражено у растений: вещества ксилеммы могут сотнями лет не поступать в круговорот, служа только опорой растения. 

Под первичной продукцией сообщества (или первичной биологической  продукцией) понимается образование  биомассы (более точно — синтез пластических веществ) продуцентами без  исключения энергии, затраченной на дыхание за единицу времени на единицу площади (например, в сутки  на гектар). 

Первичную продукцию  сообщества разделяют на валовую  первичную продукцию, то есть всю  продукцию фотосинтеза без затрат на дыхание, и чистую первичную продукцию, являющуюся разницей между валовой  первичной продукцией и затратами  на дыхание. Иногда её ещё называют чистой ассимиляцией или наблюдаемым фотосинтезом). 

Чистая продуктивость сообщества — скорость накопления органического вещества, не потребляемого гетеротрофами (а затем и редуцентами). Обычно вычисляется за вегетационный период либо за год. Таким образом, это часть продукции, которая не может быть переработана самой экосистемой. В более зрелых экосистемах значение чистой продуктивости сообщества стремится к нулю (см. концепцию климаксных сообществ). 

Вторичная продуктивность сообщества — скорость накопления энергии на уровне консументов. Вторичную продукцию не подразделяют на валовую и чистую, так как консументы только потребляют энергию, усвоенную продуцентами, часть её не ассимилируется, часть идёт на дыхание, а остаток идёт в биомассу, поэтому более корректно называть её вторичной ассимиляцией. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Экологические функции экосистем

Напомним, что экосистема - это совокупность живых организмов, обменивающихся непрерывно энергией, веществом и информацией друг с другом и с окружающей средой. Рассмотрим сначала процесс обмена энергией.  

Энергию определяют как способность производить работу. Свойства энергии описываются законами термодинамики.  

Первый закон (начало) термодинамики или закон сохранения энергии утверждает, что энергия  может переходить из одной формы  в другую, но она не исчезает и  не создается заново.  

Второй закон (начало) термодинамики или закон энтропии утверждает, что в замкнутой системе  энтропия может только возрастать. Применительно к энергии в  экосистемах удобна следующая формулировка: процессы, связанные с превращениями  энергии, могут происходить самопроизвольно  только при условии, что энергия  переходит из концентрированной  формы в рассеянную, то есть деградирует. Мера количества энергии, которая становится недоступной для использования, или иначе мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии, есть энтропия. Чем выше упорядоченность системы, тем меньше ее энтропия.  

Таким образом, любая  живая система, в том числе  и экосистема, поддерживает свою жизнедеятельность  благодаря, во-первых, наличию в окружающей среде в избытке даровой энергии (энергия Солнца); во вторых, способности  за счет устройства составляющих ее компонентов  эту энергию улавливать и концентрировать, а использовав - рассеивать в окружающую среду.  

Таким образом, сначала  улавливание, а затем концентрирование энергии с переходом от одного трофического уровня к другому обеспечивает повышение упорядоченности, организации  живой системы, то есть уменьшение ее энтропии.  

Энергия и продуктивность экосистем 

Итак, жизнь в экосистеме поддерживается благодаря непрекращающемуся  прохождению через живое вещество энергии, передаваемой от одного трофического уровня к другому; при этом происходит постоянное превращение энергии  из одних форм в другие. Кроме  того, при превращениях энергии часть  ее теряется в виде тепла.  

Тогда возникает вопрос: в каких количественных соотношениях, пропорциях должны находиться между собой члены сообщества разных трофических уровней в экосистеме, чтобы обеспечивать свою потребность в энергии?  

Весь запас энергии  сосредоточен в массе органического  вещества - биомассе, поэтому интенсивность  образования и разрушения органического  вещества на каждом из уровней определяется прохождением энергии через экосистему ( биомассу всегда можно выразить в  единицах энергии) .  

Скорость образования  органического вещества называют продуктивностью. Различают первичную и вторичную  продуктивность.  

В любой экосистеме происходит образование биомассы и  ее разрушение, причем эти процессы всецело определяются жизнью низшего  трофического уровня - продуцентами. Все  остальные организмы только потребляют уже созданное растениями органическое вещество и, следовательно, общая продуктивность экосистемы от них не зависит.  

Высокие скорости продуцирования биомассы наблюдаются в естественных и искусственных экосистемах  там, где благоприятны абиотические факторы, и особенно при поступлении  дополнительной энергии извне, что  уменьшает собственные затраты  системы на поддержание жизнедеятельности. Такая дополнительная энергия может  поступать в разной форме: например, на возделываемом поле - в форме  энергии ископаемого топлива  и работы, совершаемой человеком  или животным.  

Таким образом, для  обеспечения энергией всех особей сообщества живых организмов экосистемы необходимо определенное количественное соотношение  между продуцентами, консументами разных порядков, детритофагами и редуцентами. Однако для жизнедеятельности любых организмов, а значит и системы в целом, только энергии недостаточно, они обязательно должны получать различные минеральные компоненты, микроэлементы, органические вещества, необходимые для построения молекул живого вещества.  

Круговорот элементов  в экосистеме 

Откуда изначально берутся в живом веществе необходимые  для построения организма компоненты? Их поставляют в пищевую цепь все  те же продуценты. Неорганические минеральные вещества и воду они извлекают из почвы, CO2 - из воздуха, и из образованной в процессе фотосинтеза глюкозы с помощью биогенов строят далее сложные органические молекулы - углеводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты, витамины и т.п.  

Чтобы необходимые  элементы были доступны живым организмам, они все время должны быть в  наличии.  

В этой взаимосвязи  реализуется закон сохранения вещества. Его удобно сформулировать следующим  образом: атомы в химических реакциях никогда не исчезают, не образуются и не превращаются друг в друга; они  только перегруппировываются с образованием различных молекул и соединений (одновременно происходит поглощение или выделение энергии). В силу этого атомы могут использоваться в самых различных соединениях  и запас их никогда не истощается. Именно это происходит в естественных экосистемах в виде круговоротов элементов. При этом выделяют два  круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).  

Круговорот воды является одним из грандиозных процессов  на поверхности земного шара. Он играет главную роль в связывании геологического и биотического круговоротов. В биосфере вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совершает  малый и большой круговороты. Испарение воды с поверхности  океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков  на поверхность океана образуют малый  круговорот. Если же водяной пар  переносится воздушными течениями  на сушу, круговорот становится значительно  сложнее. В этом случае часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая - питает реки и водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая тем самым большой круговорот. Важное свойство круговорота воды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу. Вода - важнейший компонент всего живого. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растения в процессе транспирации, привносят минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений.  

Обобщая законы функционирования экосистем, сформулируем еще раз  основные их положения:  

1) природные экосистемы  существуют за счет не загрязняющей  среду даровой солнечной энергии,  количество которой избыточно  и относительно постоянно;  

2) перенос энергии  и вещества через сообщество  живых орга-низмов в экосистеме происходит по пищевой цепи; все виды живого в экосистеме делятся по выполняемым ими функциям в этой цепи на продуцентов, консументов, детритофагов и редуцентов - это биотическая структура сообщества; количественное соотношение численности живых организмов между трофическими уровнями отражает трофическую структуру сообщества, которая определяет скорость прохождения энергии и вещества через сообщество, то есть продуктивность экосистемы;  

3) природные экосистемы  благодаря своей биотической  структуре неопределенно долго  поддерживают устойчивое состояние,  не страдая от истощения ресурсов  и загрязнения собственными отходами; получение ресурсов и избавление  от отходов происходят в рамках  круговорота всех элементов.  

5. Воздействие человека  на экосистему. 

Воздействие человека на окружающую его природную среду  может рассматриваться в разных аспектах в зависимости от цели изучения этого вопроса. С точки зрения экологии представляет интерес рассмотрение воздействия человека на экологические  системы под углом зрения соответствия или противоречия действий человека объективным законам функционирования природных экосистем. Исходя из взгляда  на биосферу как глобальную экосистему, все многообразие видов деятельности человека в биосфере приводит к изменениям: состава биосферы, круговоротов и  баланса слагающих ее веществ; энергетического  баланса биосферы; биоты. Направленность и степень этих изменений таковы, что самим человеком им дано название экологического кризиса. Современный экологический кризис характеризуется следующими проявлениями:  

- постепенное изменение  климата планеты вследствие изменения  баланса газов в атмосфере;  

- общее и местное  (над полюсами, отдельными участками  суши) разрушение биосферного озонового  экрана;  

- загрязнение Мирового  океана тяжелыми металлами, сложными  органическими соединениями, нефтепродуктами,  радиоактивными веществами, насыщение  вод углекислым газом;  

- разрыв естественных  экологических связей между океаном  и водами суши в результате  строительства плотин на реках,  приводящий к изменению твердого  стока, нерестовых путей и т.п.;  

- загрязнение атмосферы  с образованием кислотных осадков,  высокотоксичных веществ в результате  химических и фотохимических  реакций;  

- загрязнение вод  суши, в том числе речных, служащих  для питьевого водоснабжения,  высокотоксичными веществами, включая  диоксины, тяжелые металлы, фенолы;  

- опустынивание планеты;  

- деградация почвенного  слоя, уменьшение площади плодородных  земель, пригодных для сельского  хозяйства;  

- радиоактивное загрязнение  отдельных территорий в связи  с захоронением радиоактивных  отходов, техногенными авариями  и т.п.;  

- накопление на  поверхности суши бытового мусора  и промышленных отходов, в особенности  практически неразлагающихся пластмасс;  

- сокращение площадей  тропических и северных лесов,  ведущее к дисбалансу газов  атмосферы, в том числе сокращению  концентрации кислорода в атмосфере  планеты;  

- загрязнение подземного  пространства, включая подземные  воды, что делает их непригодными  для водоснабжения и угрожает  пока еще мало изученной жизни  в литосфере;  

- массовое и быстрое,  лавинообразное исчезновение видов  живого вещества;  

- ухудшение среды  жизни в населенных местах, прежде  всего урбанизированных территориях;  

- общее истощение  и нехватка природных ресурсов  для развития человечества;  

- изменение размера,  энергетической и биогеохимической  роли организмов, переформирование  пищевых цепей, массовое размножение  отдельных видов организмов;  

- нарушение иерархии  экосистем, увеличение системного  однообразия на планете. 
 
 
 
 

Заключение

Когда в середине шестидесятых годов двадцатого столетия проблемы окружающей среды оказались в  центре внимания мировой общественности, встал вопрос: сколько времени  в запасе у человечества? Когда  оно начнет пожинать плоды пренебрежительного отношения к окружающей его среде? Ученые рассчитали: через 30-35 лет. Это  время настало. Мы стали свидетелями  глобального экологического кризиса, спровоцированного деятельностью  человека. Вместе с тем последние  тридцать лет не прошли даром: создана  более твердая научная основа понимания проблем окружающей среды, образованы регламентирующие органы на всех уровнях, организованы многочисленные общественные экологические группы, приняты полезные законы и постановления, достигнуты некоторые международные  договоренности.  

Однако ликвидируются  в основном последствия, а не причины  сложившегося положения. Например, люди применяют все новые средства борьбы с загрязнениями на автомобилях  и стараются добывать все больше нефти вместо того, чтобы поставить  под вопрос саму необходимость удовлетворения чрезмерных потребностей. Человечество безнадежно стремится спасти от вымирания  несколько видов, не обращая внимание на собственный демографический взрыв, стирающий с лица земли природные экосистемы.  

Основной вывод  из рассмотренного в учебном пособии  материала совершенно ясен: системы, противоречащие естественным принципам  и законам, неустойчивы. Попытки  сохранить их становятся все более  дорогостоящими и сложными и в  любом случае обречены на неудачу.

Чтобы принимать долгосрочные решения, необходимо обратить внимание на принципы, определяющие устойчивое развитие, а именно:

стабилизация численности  населения;

переход к более  энерго и ресурсосберегающему образу жизни;

развитие экологически чистых источников энергии;

создание малоотходных промышленных технологий;

рециклизация отходов;

создание сбалансированного  сельскохозяйственного производства, не истощающего почвенные и водные ресурсы и не загрязняющего землю  и продукты питания;  

сохранение биологического разнообразия на планете. 
 

Список  литературы

1.    Небел Б. Наука об окружающей среде: Как устроен мир: В 2 т. - М.:Мир, 1993.  

2.    Одум Ю. Экология: В 2 т. - М.: Мир, 1986.  

3.    Реймерс Н. Ф. Охрана природы и окружающей человека Среды: Словарь-справочник. - М.:Просвещение, 1992. - 320 с.  

4.    Стадницкий Г. В., Родионов А. И. Экология.  

5.    М.: Высш. шк., 1988. - 272 с.