властивості екосистем
властивості екосистем
Водоймище і ліс як приклади екосистем
Більшість екосистем розрізняються видовим складом і властивостями середовища проживання. Розглянемо для прикладу біоценози прісного водойми і листопадного лісу.
Екосистема прісного водойми. Найбільш сприятливі умови для життєдіяльності організмів створюються в прибережній зоні. Вода тут до самого дна прогрівається сонячними променями і насичена киснем. Поблизу берега розвиваються численні вищі рослини (очерет, рогіз, водяний хвощ) і водорості. У жарку пору біля поверхні утворюється твань - це теж водорості. На поверхні плавають листя і квітки білого латаття і жовтої кубушки, дрібні пластинки ряски повністю затягують поверхню деяких ставків. В тихих заводях ковзають по поверхні води хижі клопи-водоміри і обертаються колами жуки-вертячки.
У товщі води живуть риби і численні комахи - великий хижий клоп Гладиш, водяний скорпіон і ін. Мохи утворюють на дні великі темно-зелені скупчення. Донний мул населяють плоскі черви планарії, вельми поширений кільчастий черв'як трубочник і п'явки.
Незважаючи на зовнішню простоту прісноводного водоймища, його трофічна структура (система харчових відносин) досить складна. Вищими рослинами харчуються личинки комах, амфібій, скоблящим черевоногі молюски, рослиноїдні риби. Численні найпростіші (джгутикові, інфузорії, голі і раковини амеби), нижчі ракоподібні (дафнії, циклопи), фільтруючі двостулкові молюски, личинки комах (поденщин, бабок, ручейников) поїдають одноклітинні і багатоклітинні водорості.
Рачки, черви, личинки комах служать їжею рибам і амфібіям (жабам, тритонам). Хижі риби (окунь) полюють за рослиноїдних (карась), а великі хижаки (щука) - за більш дрібними. Знаходять собі їжу і ссавці (хохуля, бобри, видри): вони поїдають рибу, молюсків, комах та їх личинки.
Органічні залишки осідають на дно, на них розвиваються бактерії, які споживаються найпростішими і фільтрують молюсками. Бактерії, жгутикові і водні види грибів розкладають органіку на неорганічні сполуки, знову використовуються рослинами і водоростями.
Причиною слабкого розвитку життя в деяких водоймах є низький рівень вмісту мінеральних речовин (сполук фосфору, азоту та ін.) Або несприятлива кислотність води. Внесення мінеральних добрив і нормалізація кислотності вапнуванням сприяє розвитку прісноводного планктону - комплексу дрібних зважених у воді організмів (мікроскопічних водоростей, бактерій і їх споживачів: інфузорій, рачків та ін.). Планктон, будучи підставою харчової піраміди, живить різних тварин, споживаних рибами. В результаті відновлювальних заходів продуктивність рибних господарств значно зростає.
На розгортання в просторі харчових ланцюгів водойми розроблена технологія переробки відходів тваринництва. Гній змивається в відстійники, де служить харчуванням численним одноклітинним водоростям, вода "цвіте". Водорості разом з водою невеликими дозами переміщують в іншу водойму, де їх поїдають дафнії та інші рачки-фільтратори. У третьому ставку на рачках вирощують рибу. Чиста вода знову використовується на фермах, надлишок рачків йде на білковий корм худобі, а риба споживається людиною.
Водойма, як і будь-який біоценоз, - цілісна система, взаємозв'язку в якій часом бувають дуже складні. Так, знищення бегемотів у деяких африканських озерах привело до зникнення риби. Фекалії бегемотів служили природним добривом водойм і основою розвитку фіто- і зоопланктону. Україна здавна славилася перлами, здобутим з раковин жемчужниц. Личинки прісноводних двостулкових молюсків європейської жемчужніци перші тижні можуть розвиватися тільки на зябрах лососевих - сьомги, форелі, харіуса. Перевилов лососів в північних річках скоротив чисельність жемчужниц. Тепер без молюсків річки очищаються недостатньо ефективно, і ікра лосося не може в них розвиватися.
Екосистема листопадного лісу. Добові коливання температури в лісі згладжуються наявністю рослинності і підвищеною вологістю. Опадів над лісом випадає більше, ніж над полем, але суттєва їх частина при невеликих дощах не досягає поверхні грунту і випаровується з листя дерев і рослин. Екосистему листопадного лісу представляють кілька тисяч видів тварин, більше ста видів рослин.
Коріння дерев одного виду часто зростаються між собою. В результаті живильні речовини перерозподіляються складним чином. У густих ялинових лісах зростається корінням до 30% дерев, в дубняку - до 100%. Зрощення коренів різних видів і родів спостерігається вкрай рідко. Залежно від дії різних екологічних чинників дерева одного і того ж віку можуть мати вигляд потужних плодоносних особин або тонких пагонів, а можуть навіть постаріти, не досягнувши зрілого стану.
Лісова рослинність інтенсивно конкурує за світло. Лише невелика частина сонячних променів досягає грунту, тому рослини в лісі живуть в декількох ярусах. Чим нижче ярус, тим більше тіньовитривалі види його займають. У верхньому ярусі розташовані крони світлолюбних дерев: дуба, берези, ясена, липи, осики. Нижче - менш світлолюбні форми: клен, яблуня, груша. Ще нижче виростають чагарники підліска: калина, брусниця, ліщина. Мохи і трав'янисті рослини утворюють самий нижній ярус - напочвенний покрив. Велика кількість полян і галявин значно збагачує видовий склад рослин, комах і птахів. Опушечной ефект використовують при створенні штучних насаджень.
У грунті живуть нірні гризуни (миші, полівки), землерийки і інші дрібні істоти. У нижньому ярусі лісу живуть і хижі звірі - лисиці, ведмеді, борсуки. Частина ссавців займає верхній ярус. На деревах проводять основну частину часу білки, бурундучкі і рисі. У різних ярусах лісу гніздяться птахи: на гілках і в дуплах дерев, в чагарнику і траві.
Первинні консументи представлені зайцями, мишоподібними гризунами, бобрами, птахами і великими травоїдними - лосями, оленями, козулями. Живильні речовини, накопичені влітку листям дерев і чагарників, переміщаються восени в гілки, стовбур, коріння, різко підвищуючи їх кормову цінність і допомагаючи тваринам пережити зимову нестаток кормів. До первинних консументами відносяться і інші мешканці лісу - комахи, що харчуються листям (гусениці) і деревиною (короїди). Всі види хребетних є місцем існування і джерелом їжі для зовнішніх паразитів - комах і кліщів, і внутрішніх паразитів - бактерій, найпростіших, плоских і круглих черв'яків.
Поверхня ґрунту покрита підстилкою, утвореної напіврозкладеними залишками, опалим листям, мертвими травами та гілками. У підстилці мешкає безліч комах і їх личинок, дощових черв'яків, кліщів, а також грибів, бактерій і синьо-зелених (зеленим нальотом вони покривають поверхню грунту, каменів і стовбурів дерев). Для цих істот органіка підстилки служить їжею. Жуки-мертвоїди, кожееди, личинки падальних мух, гнильні бактерії ефективно знищують органічні залишки. Значну частину рослинного опади становить клітковина. Бактерії, шапинкових і цвілеві гриби виробляють ферменти, що розщеплюють клітковину до простих цукрів, легко засвоюваних живими організмами. Мешканці грунту харчуються і виділеннями кореневої системи дерев, від 15% до 50% синтезованих деревом органічних кислот, вуглеводів та інших сполук потрапляє через кореневу систему в грунт. При ослабленні діяльності грунтових організмів опад починає накопичуватися, дерева вичерпують запаси мінерального живлення, марніють, піддаються нападам шкідників і гинуть. Це явище ми, на жаль, часто спостерігаємо в міських насадженнях.
Значну роль в житті рослин відіграють гриби і бактерії. Завдяки величезній кількості, швидкості розмноження і високої хімічної активності вони істотно впливають на обмінні процеси між країнами і грунтом. Кореневі системи лісових рослин конкурують за грунтовий азот. З бульбочкових бактерій, що засвоюють азот з повітря, сожітельствуют види акації, вільхи, лоха і обліпихи. Бактерії споживають синтезовані ними вуглеводи та інші поживні речовини, а дерева - азотисті сполуки, що виробляються бактеріями. За рік сіра вільха здатна фіксувати до 100 кг / га азоту. У деяких країнах вільха використовується як азотоудобряющая культура. Вираженою азотфіксації володіють і мікоризні гриби в співжитті з корінням вересових рослин.
Кожен з харчових рівнів в лісовій екосистемі представлений безліччю видів, значення різних груп організмів для благополучного її існування неоднаково. Скорочення чисельності великих рослиноїдних копитних в більшості випадків слабо відбивається на інших членах екосистеми, оскільки їх біомаса відносно невелика, що харчуються ними хижаки в змозі обійтися менш великою здобиччю, а надлишок споживаних копитними зеленої маси буде практично непомітний. Дуже значна в лісовій екосистемі роль рослиноїдних комах. Їх біомаса у багато разів більше, ніж копитних тварин, вони виконують важливу функцію запилювачів, беруть участь в переробці осаду і служать необхідним харчуванням для наступних рівнів харчових ланцюгів.
Однак природний біоценоз - цілісна система, в якій навіть малозначущий на вигляд фактор на ділі є важливим. З цікавим фактом цілісності дібров зіткнулися жителі гори Шпессарт в Німеччині. На одному зі схилів цієї гори селяни вирубали дуби, а потім захотіли їх відновити. Але як не старалися, на цьому місці нічого не вдавалося розвести, крім кволих сосонок. У чому ж справа? Виявилося, разом з дубами були знищені олені. Їх послід служив їжею безлічі ґрунтових організмів, переробляють залишки і удобрювати грунт. Тому без оленів дуби і не хотіли рости.
Прісноводний водойму і листопадний ліс мають однотипні харчові групи. Продуценти в лісі - дерева, чагарники, трави і мохи, в водоймі - вкорінюються і плаваючі рослини, водорості і синьо-зелені. Гетеротрофи в лісі - комахи, птахи, рослиноїдні і м'ясоїдні звірі, в водоймі - водні комахи, амфібії, ракоподібні, рослиноїдні і хижі риби. Редуценти в лісі представлені наземними, а у водоймі - водними грибами, бактеріями і безхребетними. Ці ж харчові групи організмів присутні у всіх наземних і водних екосистемах. Первинним джерелом енергії в спільнотах водойми і ліси, як і в більшості екосистем, служить сонячне світло.
Біоценози є злагоджені системи організмів, в яких одні спільноти і види дивовижно поєднуються з іншими, проявляючи цілісність і взаємозв'язок богосо-творення світу.
1. Опишіть екосистему прісного водойми. Якими організмами представлені харчові групи водойми?
2. Чи можна вважати яруси лісу різними екологічними нішами?
3. Порівняйте харчові групи лісу і водойми.
4. Чи є екосистеми лісу і водойми цілісними? Доведіть прикладами.
Цілісність і самовоспроізводімості
Існування і життєдіяльність популяцій, що населяють екосистеми, регулюється багатьма біотичних і абіотичних факторів. Життєво важливі органічні сполуки і хімічні елементи утворюють круговорот речовин. Рослини дістають із середовища мінеральні речовини, а також кисень для дихання і вуглекислий газ для фотосинтезу, виділяють в атмосферу вуглекислий газ і кисень в тих же процесах. Органічні і неорганічні речовини рослин живлять організми всіх популяцій екосистеми. Хімічні елементи цих сполук не покидають екосистему, по харчових ланцюгах вони доходять до редуцентов і повертаються ними до початкового стану мінеральних сполук і простих молекул. Сонячна енергія, акумульована зеленими рослинами, забезпечує життєдіяльність всіх організмів біоценозу.
Таким чином, потоки речовини і енергії забезпечують цілісність екосистеми - взаємозв'язок її організмів один з одним і з природним середовищем. Основними умовами самовідтворення екосистеми є:
- наявність в середовищі їжі і енергії (для автотрофов - сонячної, для хемотрофов - хімічної);
- здатність істот до розмноження;
- здатність організмів відтворювати хімічний склад і фізичні властивості природного середовища (структуру ґрунту, прозорість води).
Природні екосистеми здатні до тривалого існування. Навіть при значних коливаннях зовнішніх чинників внутрішні параметри зберігають стабільність. Так, якщо кількість опадів над лісом зменшилася на 30%, кількість зеленої маси може знизитися всього на 15%, а чисельність первинних консументів - лише на 5%. Властивість екосистеми зберігати внутрішні параметри називають стійкістю. Стійкість до перенесення несприятливих умов залежить від витривалості організмів, їх здатності розмножуватися в широкому діапазоні умов і посилюється можливістю перебудови ланцюгів харчування в багатих спільнотах.
Ефективність саморегуляції визначається різноманітністю видів і харчових взаємин між ними. Якщо знижується чисельність одного з первинних консументів, то при різноманітності видів хижаки переходять до харчування більш численними тваринами, які раніше були для них другорядними.
Довгі ланцюги харчування часто перетинаються, створюючи можливість варіації харчових відносин в залежності від врожаю рослин, чисельності жертв і ін. Тигри і леви за відсутності копитних обходяться менш великими тваринами і навіть рослинною їжею. Сокіл-сапсан полює в повітрі, а при масовому розмноженні лемінгів він починає харчуватися цими звірками, підхоплюючи їх з землі. Ланцюг: рослини - мишь-- змія - орел може бути скорочена до: рослини - миша - орел. У більш сприятливі роки чисельність видів відновлюється, і харчові відносини в біоценозі нормалізуються.
В урожайні роки зростає кількість травоїдних. Хижаки, забезпечені їжею, швидко розмножуються. Скорочення чисельності травоїдних створює дефіцит харчування серед хижих видів, і в малокормние роки вони майже не розмножуються.
Кожні кілька років чисельність популяцій лемінгів в тундрі різко зростає. Лемінги об'їдають тундрову рослинність. Речовини рослин через організм звірків переходять в детрит і лише через кілька років після мінералізації утворюють родючий грунт з багатим і поживним рослинним покривом. Чисельність лемінгів знову зростає. У малокормние роки їх кількість інтенсивно скорочується не тільки недоліком харчування, але ще і швидко розмножилися хижаками - песцями, лисицями, совами. Так рослини, лемінги і хижаки здійснюють саморегуляцію тундрової екосистеми, зберігаючи її стійкість і довговічність.
Спалахи розмноження шкідників тривають зазвичай недовго. Їх чисельність швидко скорочується недостатністю харчування, що розплодилися хижаками і паразитичними комахами (в численної популяції їм легше переходити на інших особин), а також вірусними, бактеріальними та грибковими захворюваннями, особливо діючими на ослаблені браком корму організми шкідників. Застосування отрут часто має негативні побічні ефекти. Заодно з шкідником отрута знищує комах-запилювачів, хижих і паразитичних тварин. Інші комахи, стійкі до отрути (рослиноїдні кліщі, комарі тощо), чисельність яких до внесення отрут придушувалася хижаками і паразитами, посилено розмножуються і завдають шкоди сільськогосподарським культурам. Регуляція чисельності шкідників - важлива екологічна завдання.
Нерозумне втручання в природні екосистеми призводить до непередбачуваних і сумних наслідків. В середині ХІХ ст. на одній з ферм Австралії випустили на волю 12 пар завезених з Європи кроликів. В екосистемах Австралії було недостатньо хижаків, здатних регулювати їх чисельність, і за 40 років популяція кроликів розрослася до декількох сот мільйонів особин. Кролики розселилися по всьому материку, виїдаючи проростки сосни, знищуючи луки і пасовища, підриваючи кормову базу місцевих травоїдних - кенгуру. Поселення в кримських лісах білка телеутка помітно скоротила їх природне поновлення та стала завдавати шкоди виноградникам. Промислову ж цінність білка втратила, її пухнасте хутро в теплому кліматі став коротким і грубим.
До несприятливих наслідків привела акліматизація уссурійського єнота в біоценозах Європейської частіУкаіни. Незважаючи на схожість кліматичних умов, звірята втратили цінні якості хутра. У лісах вони скоротили чисельність мисливських птахів, особливо тетеруків, винищуючи їх гнізда і виводки. Єноти стали жити поблизу населених пунктів, нападаючи на птицю і дрібних домашніх тварин.
В процесі акліматизації горбуші в річках північно-західного регіонаУкаіни через конкуренцію за їжу і місця для нересту сильно скоротилася чисельність місцевих лососевих риб. Для боротьби з личинками малярійних комарів в річках Приаралья в 40-50-і роки розвели рибку-гамбузію, несподівано інтенсивно скоротила чисельність промислових риб, успішно конкуруючи з ними в полюванні на дрібних тварин.
Всесвіти види - одна з основних причин вимирання хребетних тварин. На Гавайські острови ввезли 22 види ссавців, 160 видів птахів, 1300 видів комах, понад 2 тис. Видів квіткових рослин. Всесвіти види стали головною причиною вимирання 30% птахів-аборигенів, 34% молюсків, перед загрозою зникнення перебувають до 70% видів гавайської флори.
Проблема відновлення в біоценозах природного саморегуляції особливо важлива в наші дні, коли багато видів знаходяться на межі зникнення, а природні території втратили благоліпний вид.
1. Якими факторами забезпечується цілісність екосистем?
2. Чому природні екосистеми називають самовідтворюючому? Чим забезпечується їх самовідтворення?
3. Що розуміють під стійкістю екосистем? Які екосистеми самі стійкі?
4. Наведіть приклади саморегуляції екосистем і її порушення втручанням людини.