Глава 5 Экосистема Концепция экосистемы

В первой трети XX века в процессе становления экологии как науки возникла парадоксальная ситуация. Для ученых-экологов остро почувствовалась нехватка базовой единицы изучения. Экологи изучали взаимоотношения между видами, влияние экологических факторов на структуру сообществ, но основной структурной единицей, которую следовало бы изучать, как-бы и не было. Изучалось все в общем, и множество частностей, но конкретный предмет изучения не был установлен. У других, оформившихся наук, такая единица присутствовала. К примеру, у физиков это был атом, у гистологов - ткань, физиологов - орган, цитологи изучали клетку, а экологи не могли похвастаться, что же представляет собой та основная ячейка, изучение которой преследовало основные цели их исследований. Отсутствие четко определяемой единицы изучения несколько тормозило развитие экологии.

Такой единицей изучения стала экологическая система, или экосистема Понятие экосистема является ключевым для каждого, кто стремится узнать и понять, как устроен мир. Экосистемы являются своего рода "кирпичиками", из которых слагается одна большая общая живая система - биосфера. Экосистема - это фундаментальное понятие, обозначающее функциональную общность живого и среды его обитания.

Термин "экосистема" был предложен в 1935 г. английским ботаником Артуром Тенсли. Тенсли считал, что экосистемы представляют собой основные природные единицы на поверхности земли. Это не только комплекс живых организмов, но и все сочетание физических факторов. Всюду, где мы наблюдаем отчетливое единство растений, животных и микроорганизмов, объединенных отдельным участком окружающей среды, мы имеем пример экосистемы.

Экосистема (экологическая система) - основная функциональная единица экологии, представляющая собой единство живых организмов и среды их обитания, организованное потоками энергии и биологическим круговоротом веществ. Это фундаментальная общность живого и среды его обитания. Это любая совокупность совместно обитающих живых организмов и условий их существования (среда обитания) (рис. ).

Понятие "экосистема" можно применить к объектам различной степени сложности и разного размера. Это может быть частичка почвы и капля воды, кочка на болоте и само болото, лужа, озеро и океан, луг, лес, Земля в целом. Примером экосистемы может служить и тропический лес в определенном месте и в конкретный момент времени, населенньый тысячами видов растений, животных и микробов, живущих вместе, и связанными миллионами происходящих между ними взаимодействий.

Таким образом, каждая конкретная экосистема может характеризоваться определенными границами (экосистема елового леса, экосистема низинного болота). Однако само понятие "экосистема" является безранговым, обладает признаком безразмерности, ей не свойственны территориальные ограничения. Обычно экосистемы разграничиваются элементами абиотической среды, например рельефом, видовым разнообразием, физико-химическими и трофическими условиями и т.п. Размер экосистем не может быть выражен в физических единицах измерения (площадь, длина, объем и т.д.). Он выражается системной мерой, учитывающей процессы обмена веществ и энергии. Поэтому под экосистемой обычно понимается совокупность биотической (живые организмы) и абиотической среды, при взаимодействии которых происходит более или менее полный биотический круговорот, в котором участвуют продуценты, консументы и редуценты. Термин "экосистема" применяется и по отношению к искусственным образованиям, например экосистема парка, сельскохозяйственная экосистема (агроэкосистема ).

Экосистемы по их размерности можно разделить на микроэкосистемы (экосистема гниющего пня или дерева в лесу, прибрежные заросли водных растений), мезоэкосистема (болото, сосновый лес, ржаное поле) и макроэкосистема (океан, море, пустыня).

Для естественной экосистемы характерны три признака:

1) экосистема обязательно представляет собой совокупность живых и неживых компонентов;

2) в рамках экосистемы осуществляется полный цикл круговорота веществ, начиная с создания органического вещества и заканчивая его разложением на неорганические составляющие;

3) экосистема сохраняет устойчивость в течение определенного времени.

Пространственная разграниченность экосистем в одних случаях может быть выражена относительно отчетливо, в других - границы между ними могут быть только условными. Для эколога, изучающего структуру экосистем, удобно пользоваться естественными границами (например, край болота, опушка леса, берег реки или озера). В любом случае выделение экосистем правомочно лишь в том случае, если имеет место приток из окружающей среды не только энергии, но и определенного количества вещества.

Экосистема характеризует реально существующие сообщества организмов в их активной взаимосвязи с окружающей средой - как неживой так и живой. Все экологические системы принадлежат к открытым термодинамическим системам, относительно стабильным во времени: они должны получать и отдавать энергию и обмениваться веществом. Их стабильность создается и регулируется взаимодействием круговорота веществ и потоков энергии. Исходя из общей теории систем, концепция экосистемы, как открытой системы, должна учитывать специфику связанных между собой среды на входе и среды на выходе. К примеру, для биосферы нашей Земли средой на входе будет являться энергия, земное и космическое вещество, а на выходе - осадочные биогенные породы и уходящие в космос газы.

Все компоненты экосистем взаимосвязаны между собой, устойчивое соотношение видов сложено веками. Поэтому появление в ней любого нового вида, не свойственного данной экосистеме может нарушить естественное равновесие.

Примеров множество. Наиболее известные относятся к экосистемам пятого континента.

В один из рождественских дней 1859 года в Австралию были впервые завезены 24 симпатичных кролика. Естественные хищники, которые питаются этими зверьками в местной фауне отсутствовалим. Последствие – стремительное размножение этой колонии плодовитых грызунов. Фраза «Кролики съели Австралию» не шутка, а печальная быль. Эти травоядные здорово подорвали кормовую базу скотоводства на континенте и нанесли огромный урон урожаю сельскохозяйственных культур.

Еще один из примеров внедрения чужеродного вида в экосистему со свободными экологическими нишами - история нашествия кактуса из рода опунция на Австралийский континент.

Эти кактусы были ввезены в Австралию в начале века для использования в качестве живых изгородей (кстати, для охраны земель от вездесущих кроликов). Однако при отсутствии сильных конкурентов опунция быстро распространилась по всему материку, превратившись в сорняк и заняв тысячи гектаров ценных луговых и пастбищных угодий. После нескольких неудачных попыток искоренения опунции для борьбы с ней завезли из Южной Америки бабочку кактусовую огневку. Ее гусеницы кормятся на растущих побегах опунции и быстро уничтожают растение, буквально пресекая ее развитие в самом зародыше. Это насекомое оказалось таким эффективным средством борьбы, что уже через несколько лет о вреде, наносимом опунцией, вспоминали как о чем-то давно прошедшем.

Для борьбы с опунцией экологи вынуждены были изучить биологию, экологию, способ размножения не только растения-вредителя, но и могущего оказать помощь насекомого. Экологической катастрофы удалось избежать, вспышка чужестранца была подавлена. Однако опасность таких катастроф в современном мире реально существует.

Принцип экосистемы используется при разработке биологических систем жизнеобеспечения человека в условиях изоляции от биосферы Земли, например в космических или подводных аппаратах. Основным компонентом такой искусственно создаваемой экосистемы являются зеленые растения, которые за счёт исполльзования энергии света в процессе фотосинтеза поглощают двуокись углерода и выделяют кислород, т. е. осуществляют регенерацию (восстановление) атмосферы. Биомасса растений используется в пищу человеком и др. гетеротрофными организмами, которые, в свою очередь, могут входить в пищевой рацион человека. Неиспользованная биомасса растений, продукты жизнедеятельности человека и других компонентов биокомплекса разлагаются микроорганизмами до воды, двуокиси углерода и минеральных веществ, которые вновь используются растениями. В настоящее время созданы экспериментальные экосистемы, включающие человека, одноклеточные водоросли, высшие растения (капуста, морковь, свёкла, томат, пшеница и др.), микроорганизмы — минерализаторы. За счёт регенерации в таких экосистемах полностью обеспечивалась потребность человека в кислороде, воде и до 20% в пище.