Принципы организации экосистем

Основные компоненты экосистемы. Экосистемы представляют собой элементарную функциональную единицу живой природы, в которой осуществляются взаимодействия между всеми ее компонентами, происходит круговорот веществ и энергии. В состав экосистемы входят неорганические вещества (C, N, CO₂, H₂O и др.), которые включаются в круговорот, и органические соединения (белки, углеводы, жиры и др.), связывающие биотическую (живую) и абиотическую (неживую) ее части. Для каждой экосистемы характерна определенная среда (воздушная, водная, наземная), включающая климатический режим и определенный набор параметров физической среды (температуру, влажность и т. п.). По роли, которую выполняют организмы в экосистеме, их подразделяют на три группы:

продуценты – автотрофные организмы, главным образом зеленые растения, которые способны создавать органические вещества из неорганических;

консументы – гетеротрофные организмы, преимущественно животные, которые питаются другими организмами или частичками органического вещества;

редуценты – гетеротрофные организмы, преимущественно бактерии и грибы, обеспечивающие разложение органических соединений.

Окружающая среда и живые организмы взаимосвязаны процессами циркуляции вещества и энергии.

Продуценты улавливают солнечный свет и переводят его энергию в энергию химических связей синтезируемых ими органических соединений. Консументы, поедая продуцентов, разрывают эти связи и используют высвобождающуюся при этом энергию для построения своего собственного тела. Редуценты ведут себя аналогичным образом, но в качестве источника пищи используют либо мертвые тела, либо продукты, выделяющиеся в процессе жизнедеятельности организмов. При этом редуценты разлагают сложные органические молекулы до простых неорганических соединений – углекислого газа, окислов азота, воды, солей аммиака и т. д. В результате они возвращают в окружающую среду вещества, изъятые из нее растениями, и эти вещества могут вновь утилизироваться продуцентами. Цикл замыкается. Надо заметить, что все живые существа в определенной степени являются редуцентами. В процессе метаболизма они извлекают необходимую им энергию при расщеплении органических соединений, выделяя в качестве конечных продуктов углекислый газ и воду.

В экосистемах живые компоненты выстраиваются в цепочки (пищевые или трофические(*) цепи), в которых каждое предыдущее звено служит пищей для последующего. Каждое такое звено представляет собой определенный трофическийуровень, поскольку находящиеся на нем организмы получают энергию через одинаковое число посредников. В основании трофической цепи находятся продуценты, которые из неорганического вещества и энергии света создают живое вещество – первичную биомассу. Второе звено составляют потребляющие эту первичную биомассу животные-фитофаги – это консументы первого порядка. Они, в свою очередь, служат пищей для организмов, составляющих следующий трофический уровень – консументов второго порядка. Далее идут консументы третьего порядка и т. д. Приведем пример простой цепи:

А вот пример более сложной цепи:

Далеко не все организмы, составляющие разные трофические уровни, оказываются съеденными, а консументы самого высокого порядка (медведи, львы, орлы и др.) вообще не имеют врагов (конечно, кроме человека). Значительная часть организмов гибнет в силу естественной смертности, от болезней, паразитов, природных катастроф и т. п. Поэтому в пищевые цепочки на всех уровнях, начиная со второго, включаются редуценты, которые питаются мертвым органическим веществом.

В естественных экосистемах пищевые цепи не изолированы одна от другой, а тесно переплетены. Они формируют пищевые сети, принцип образования которых заключается в том, что каждый продуцент может служить пищей не одному, а многим животным-фитофагам, которые, в свою очередь, могут быть съедены разными видами консументов второго порядка и т. д.

Пищевые сети составляют каркас экосистем, и нарушения в них могут приводить к непредсказуемым последствиям. Особенно ранимыми оказываются экосистемы с относительно простыми пищевыми цепями, т. е. те, в которых круг объектов питания конкретного вида узок (например, многие экосистемы Арктики). Выпадение одного из звеньев может повлечь за собой распад всей трофической сети и деградацию экосистемы в целом.

Наглядным примером сложности связей между организмами в экосистемах могут послужить те неожиданные последствия, к которым привела попытка борьбы с малярией на Калимантане (один из островов Индонезии) в 50-х годах XX в. Чтобы уничтожить малярийного комара (переносчика возбудителя малярии), остров стали опрыскивать инсектицидом ДДТ, содержащим хлорорганические соединения. Комары, как и ожидалось, погибли, однако возникли осложнения. ДДТ попал и в организм тараканов, которые оказались более стойкими к нему. Тараканы не погибали, но становились такими медлительными, что в значительно больших, чем обычно, количествах поедались ящерицами. Попавший вместе с тараканами в организм ящериц инсектицид вызывал у них нервные расстройства и ослабление рефлексов. Поэтому ящерицы становились легкой добычей кошек, и их численность резко упала. Ящерицы – хищники, питающиеся, в том числе, и гусеницами, которые выедают тростниковые крыши домов местных жителей. Гусеницы расплодились в огромном количестве и крыши стали проваливаться. Но это было только полбеды. От отравления ДДТ, попавшим в организм при питании отравленными ящерицами, стали гибнуть кошки. Это привело к тому, что поселки наводнили крысы, которые пришли из леса и принесли на себе блох, зараженных чумной палочкой. Итак, боролись с малярией, а получили чуму. Вот к чему приводят мероприятия, проведенные без надлежащей экологической экспертизы. Жители Калимантана предпочли чуму малярии. Поэтому опрыскивание инсектицидом прекратили, а для борьбы с крысами в джунгли на парашютах сбросили большую партию кошек.

Трофическая структура экосистемы и энергетика. Зеленые растения улавливают 1–2% попадающей на них энергии солнца, преобразуя ее в энергию химических связей. Консументы первого порядка усваивают около 10% всей энергии, заключенной в съеденных ими растениях. На каждом последующем уровне теряется 10 – 20% энергии предыдущего. Подобная закономерность находится в полном соответствии со вторым началом (законом) (термодинамики подробнее см. в § 00). Согласно этому закону при любых трансформациях энергии значительная ее часть рассеивается в виде недоступной для использования тепловой энергии. Таким образом, энергия быстро убывает в пищевых цепях, что ограничивает их длину. С этим связано и уменьшение на каждом последующем уровне численности и биомассы (количество живого вещества, выраженное в единицах массы или калориях) живых организмов. Однако это правило, как мы увидим ниже, имеет ряд исключений.

В основе устойчивости каждой экосистемы лежит определенная трофическая структура, которая может быть выражена в виде пирамид численности, биомассы и энергии. При их построении значения соответствующего параметра для каждого трофического уровня изображается в виде прямоугольников, поставленных друг на друга.

Форма пирамид численности в значительной степени зависит от размера организмов на каждом трофическом уровне, особенно продуцентов.

Например, численность деревьев в лесу, значительно ниже, чем травы на лугу или фитопланктона (микроскопические планктонные организмы-фотосинтетики) в пруду.