Угрупування та екосистеми

Екологія — одна з наук, які вивчають життя. Чим же живе відрізняється від неживого?

Головна відмінність полягає в тому, що існування живої і неживої матерії описується теоріями, які відображають єдину реальність, але відповідають різним її проявам.

Існування неживої матерії достатньо повно описується класичною термодинамікою. Вона розглядає Всесвіт як закриту систему, яка іде до своєї невідворотної загибелі внаслідок того, що запас корисної енергії в такій системі рано чи пізно вичерпається. Відповідно до Другого закону термодинаміки високоорганізовані структури в результаті зменшення запасу корисної енергії самочинно розпадаються на менш організовані, які характеризуються меншою впорядкованістю. При цьому, міра внутрішньої невпорядкованості системи ентропія — зростає. З термодинамічної точки зору все у Всесвіті прямує до стану з нульовим значенням внутрішньої енергії.

На противагу цьому, закономірності існування живого описуються еволюційною теорією. Вона розглядає живі організми та надорганізменні системи як відкриті системи, які знаходяться в рівноважному стані і здійснюють обмін речовиною, енергією, інформацією з навколишнім середовищем. Внаслідок цього, як мінімум, не відбувається зменшення їх складності. Часто навпаки, їх складність зростає за рахунок притоку речовини, енергії і інформації ззовні. Організми виникають, розвиваються,

функціонують внаслідок ефекту самоорганізації живої матерії.

Отже, жива матерія суттєво відрізняється від неживої не лише характером будови, але і рядом інших властивостей. Найголовніші з них наведені нижче:

• зародження, формування нових елементів живої матерії,

самозбереження, саморозвиток за рахунок вилучення енергії з

навколишнього простору, протистояння ентропії;

• швидке розмноження в поживному середовищі, опанування всього

придатного для існування вільного простору за рахунок інтенсивного

збільшення поверхні свого тіла і кількості особин у спільнотах;

• збереження інформації про структуру елементів живого організму,

спадковість тощо;

• активний і пасивний рух;

• стійкість при житті і швидкий розпад після смерті;

• надзвичайна здатність до пристосування (адаптації);

Економіко-математичний метод — використовує методи і понятійний апарат економічних наук та математики, з метою вивчення впливу людини на природне середовище. За допомогою цього, методу можна встановлювати раціональні норми природокористування та необхідний розмір витрат на відшкодування збитків завданих природному середовищу діяльністю людини, ряд інших показників.

Моделювальний метод — використовують для дослідження складних об’єктів і процесів, шляхом їх спрощеної імітації (натурної, математичної, логічної). Базується на теорії подібності. Метод має обмеження пов'язані з технічними, концептуальними, психологічними факторами, які справляють виражений вплив на точність результатів, одержаних шляхом моделювання. Модель — завжди спрощення. Тому вона ніколи функціонально повністю не відповідає об'єкту. Крім того, на точність цього методу накладає відбиток ще й принцип неповноти інформації (інформація ніколи не буває повною на 100%). Модель дає лише вірогідний сценарій процесу, а не його копію. Отже, обмеження методу моделювання необхідно враховувати при оцінці моделей природокористування, особливо при його плануванні та прогнозуванні, а також при аналізі природних систем та їх складових.

Метод постановки експериментів - оперує безпосередньо об'єктами природного середовища. При цьому зумисне створюються певні ситуації, використовуються діючі виробництва і/або природні процеси для того, щоб експериментально виявити і зафіксувати закономірності, залежності характерні для природного середовища.

Метод робочих гіпотез — передбачає формування і обґрунтування гіпотез на базі фактів та припущень і наступну перевірку їх на практиці. При цьому порівнюють прогнозований згідно гіпотези сценарій розвитку подій з тим, який фактично спостерігається. Якщо прогнозований і фактичний розвиток подій співпадає, то гіпотезу вважають вірною.

Відомі мікроорганізми, спори яких переносять температури

близькі до температури абсолютного нуля. Після повернення

американського космічного апарату з Місяця на Землю в

ньому були знайдені спори мікроорганізмів, які успішно

розвинулись до дорослих форм.

Мікроорганізми знайдені в водах атомних реакторів, в товщі

льодовиків

• надзвичайно висока швидкість протікання хімічних реакцій і пов'язана з цим висока швидкість оновлення живої речовини. Наприклад для суходолу цей показник складає 14 років, для океану 33 дні, а в середньому для біосфери 8 років.

Перелічені властивості живого у великій мірі стосуються не лише окремих живих організмів, але і їх спільнот, які в екології називаються екосистемами.

Екосистема (біогеоценоз) — люба спільнота живих організмів взята в сукупності з середовищем їх існування. Це поняття в екології є базовим поняттям і основною одиницею класифікації. Екосистеми як єдине ціле формуються на основі відносин взаємозалежності та причинно-наслідкових зв'язків з двох складових.

Перша складова — біота (біоценоз) — тварини, рослини, гриби, мікроорганізми різних видів пов'язані між собою та з абіотичними факторами довкілля. Друга складова — біотоп (екотоп) — середовище життя біоценозу. Екосистеми є необхідною формою існування і розвитку життя.

Важливою властивістю екосистем є їх видова різноманітність. При цьому кожен вид (популяція) займає в екосистемі свою, лише йому притаманну екологічну нішу, яка є сумою ролі виду (популяції) в екосистемі і життєвих умов, необхідних для існування в ній. Для кожного виду (популяції) характерна своя екологічна ніша. Вона відвойовується ним у ході конкурентної боротьби. Спеціалізація організмів дозволяє

повно використовувати природні ресурси екосистем, підтримувати її надійність і стійкість щодо несприятливих факторів зовнішнього і внутрішнього середовища.

Якщо ж зовнішній вплив чи внутрішні зміни приводять до вилучення виду (популяції) з екосистеми в дію вступає принцип екологічного дублювання. Суть його полягає в тому, що втрачений вид (популяція) замінюється функціонально близьким. Але при цьому властивості екосистеми змінюються.

Даний механізм до певної межі страхує екосистеми від руйнування. Межа стабільності екосистеми визначається дією гомеостатичних механізмів. Головним з них є принцип Ле Шательє-Брауна. Він формулюється наступним чином: при дії на систему зовнішніх сил, які виводять її зі стану рівноваги, параметри системи змінюються так, щоб забезпечити послаблення їх дії.

В нормі гомеостаз екосистем підтримується рушійними силами, коротка характеристика яких подана нижче:

• динаміка популяцій — механізми регулювання чисельності особин в популяції. Всяке значне відхилення чисельності особин в популяціях від оптимального пов'язане з негативними наслідками для її існування. В зв'язку з цим популяції звичайно мають спеціальні адаптивні механізми, які сприяють зменшенню або збільшенню чисельності особин при відхиленні їх числа від оптимального (наприклад, внутрівидова і міжвидова конкуренція, міграції, виділення в зовнішнє середовище, охорона територій, стресові явища тощо);

• життєві стратегії — для різних популяцій характерні різні життєві стратегії, тобто специфічна пристосованість, яка забезпечує їм можливість співіснувати з іншими організмами і займати певну екологічну нішу у відповідній екосистемі;

Є стратегія, яку можна описати як піклування про відносно

малочисельне потомство (організми з низькою

репродуктивною активністю). Є протилежна стратегія

спрямована на максимізацію кількості нащадків (організми з

високою репродуктивною активністю).

• реалізація екологічних ніш — екологічні ніші є основними структурними компонентами екосистем. Кожна популяція реалізує в екосистемі певну екологічну нішу, на межі якої в часі і просторі впливають біотичні та абіотичні умови середовища. Входження нових видів у стабільну екосистему здійснюється переважно відкриттям нових екологічних ніш;

• сукцесії спільнот — зумовлені природними факторами послідовні зміни екосистем. Відбуваються під дією як зовнішніх, так і внутрішніх факторів. Вони приводять до виникнення нових спільнот, з іншим складом пануючих видів, ніж у вихідних спільнот. Як правило, в ході сукцесії зростає продуктивність екосистем. За рахунок більш ефективного використання енергії збільшується синтез органічної речовини на одиницю площі, видова різноманітність, чисельність видів, розмір особин. Це сприяє підвищенню стійкості екосистеми. Вищий, найбільш збалансований щабель сукцесії, який може існувати тривалий час, зветься клімаксом;

• екологічна еквівалентність — нові екосистеми виконують екологічні функції творення середовища аналогічні тим екосистемам, які вони замінили.

Рушійні сили, які забезпечують стабільність екосистем працюють завдяки тому, що живе в екосистемах взаємопов'язане. При цьому взаємозв'язки здійснюються за рахунок кількох механізмів. Характеристика цих механізмів, яка наведена нижче, базується на типі взаємовідносин живих організмів в екосистемах.

Найбільш явний і важливий тип зв'язків в екосистемах — харчовий (трофічний) (грецьке „трофо" — харчування). Для того, щоб існувати живі організми повинні одержувати поживні речовини і енергію. Це вони роблять харчуючись.

Тип та характер харчування зумовлює поділ живих організмів на

групи (рис. 1).

Рис. 1 Поділ живих організмів на групи в залежності від типу і характеру харчування.

Автотрофи - самостійно перетворюють неорганічні речовини в органічні за допомогою і сонячної чи хімічної енергії. Цей тип харчування притаманний більшості рослин і деяким бактеріям. Всі автотрофи за характером харчування відносяться до продуцентів (виробників) органічної речовини.

Гетеротрофи - харчуються готовими органічними речовинами (тварини, деякі рослини, гриби, більшість мікроорганізмів). За характером харчування вони поділяються на дві групи:

• консументи (споживачі) – харчують готовою органікою. Консументи першого порядку — рослинами. Консументи наступних порядків тілами травоїдних тварин, або один одним. В результаті процесів травлення в організмах консументів здійснюється первинне подрібнення та деструкція органічних речовин. Це полегшує подальшу діяльність редуцентів;

• редуценти (відновлювачі) —розкладають органічні речовини, а саме: відходи життєдіяльності, відмерлі частини організмів, трупи, утворюючи сполуки, придатні для споживання продуцентами. Коло замикається.

Екосистемам і організмам, які входять до їх складу, необхідне постійне і достатнє надходження енергії для підтримання складних внутрішніх зв'язків. Без цього вони не змогли б протистояти ентропії.

Енергія в екосистемах передається по харчових (трофічних) ланцюгах, їх можна уявити у вигляді ряду трофічних рівнів. Представники попереднього трофічного рівня є поживою для наступного.

При переході енергії з одного трофічного рівня на інший, внаслідок її вивільнення і безповоротного розсіювання в навколишньому середовищі у вигляді тепла, засвоюється в середньому лише 10% від енергії отриманої з їжею (правило десяти відсотків).

З правила десяти відсотків витікає кілька наслідків.

По-перше, -— загальна маса представників кожної наступної харчової ланки, порівняно з попередньою різко зменшується (крім редуцентів, які вклинюються у трофічний ланцюг на всіх його рівнях) (правило пірамід енергії). Утворюється так звана харчова (енергетична) піраміда. В водних екосистемах, які відрізняються виключно високою біологічною продуктивністю продуцентів енергетична піраміда може бути оберненою, тобто біомаса продуцентів в них менша, ніж консументів, а іноді і редуцентів.

По-друге, — харчові ланцюги, як правило, складаються не більше як з 4 — 7 ланок.

Графічні моделі трофічних (енергетичних) пірамід наведені на рисунку 2.

Рис. 2 Піраміда продукції енергії (біомас):

а) для екосистем суші, б) для водних екосистем.

Трофічні зв'язки зумовлюють біологічний кругообіг речовин в екосистемах. Його суть полягає в надходженні хімічних речовин різного ступеня складності з ґрунту, води і атмосфери в живі організми, де вони перетворюються в якісно нові біотичні сполуки. В процесі життєдіяльності організмів ці сполуки повертаються в грунт, атмосферу і воду, де вони, за участі живих організмів, розпадаються на простіші речовини. Схема біологічного кругообігу речовин в екосистемі зображена на рис. 3.

Рис. З Функціональна структура екосистеми (ланцюг харчування) та кругообіг речовин в ній.

Взаємозв'язок, який враховує місце проживання живих організмів називають топічним (грецьке „топос" — місце). Він виникає, коли один живий організм надає іншому притулок чи місце для життя. Наприклад, комахи ховаються в корі дерев.

Ще один тип взаємозв'язку живих організмів в екосистемах - форичний (латинське „форас" — назовні). Він забезпечує розповсюдження одних організмів іншими. Наприклад, качки переносять ікру риб на лапах, тварини можуть розповсюджувати плоди, спори, насіння рослин як на зовнішніх покривах, так і через травну систему.

В екосистемах існує також фабрикативний (латинське „фабрикатіо" — виробництво) зв'язок живих організмів між собою. Суть його полягає в тому, що організм використовує інші цілі організми або продукти їх життєдіяльності (наприклад, частини рослин, пух, пір'я, шерсть тощо) для виробництва гнізд, схованок тощо.