Экосистемы являются своего рода «кирпичиками», из которых слагается одна большая общая живая система - биосфера. Экосистема - это 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 и животных, объединенных отдельным участком окружающей среды, мы имеем пример экосистемы.
Экосистема - основная функциональная единица экологии, представляющая собой единство биотических компонентов с абиотической средой, организованное потоками энергии и биологическим круговоротом веществ.
Экосистемы по их размерности можно разделить на микроэкосистемы (гниющий пень или дерево в лесу, прибрежные заросли водных растений), мезоэкосистемы (болото, сосновый лес, ржаное поле) и макроэкосистемы (океан, море, пустыня).
Экосистема характеризует реально существующие сообщества организмов в их активной взаимосвязи с окружающей средой - как живой, так и неживой. 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.
Экосистема часто используют как синоним термина «биогеоценоз», однако эти понятия не совсем совпадают, т.к. экосистема является наиболее общим по сравнению с биогеоценозом.
Структуру биогеоценоза (рис. 15) включает шесть основных функционально связанных частей. Это фитоценоз - растительное сообщество (автотрофные организмы, продуценты); зооценоз - животное население (гетеротрофы, консументы) и микробоценоз - различные микроорганизмы, представленные бактериями, грибами, простейшими (редуценты). Неживую, абиотическую часть биогеоценоза, слагают совокупность климатических факторов данной территории - климатоп и биокосное образование - эдафотоп (почва). В последнее время в структуру абиотической среды биогеоценоза включают также и гидрологические факторы (гидротоп). Такая совокупность абиотических компонентов биогеоценоза носит название биотоп (в качестве синонима в лесной биогеоценологии употребляется термин «экотоп»; термин «биотоп» чаще используется экологами, изучающими животных).
гидротоп
климатоп
эдафотоп
Биотоп
микробоценоз
зооценоз
фитоценоз фитоценоз
Биоценоз
Рис. 15 Схема структуры биогеоценоза.
Агроценозы.
Биоценозы, которые возникают на землях сельскохозяйственного пользования, называют агроценозами. Они отличаются от природных сообществ, во-первых, пониженным разнообразием входящих в них видов и, во-вторых, пониженной способностью главного члена этих сообществ - культурных растений - противостоять конкурентам и вредителям. Культурные виды так сильно изменены селекцией в пользу человека, что без его поддержки не могут выдержать борьбу за существование.
Агроценозы поддерживаются человеком посредством больших затрат энергии (мускульной энергии людей и животных, работы сельскохозяйственных машин, связанной энергии удобрений, затрат на дополнительный полив и т. п.). Природные биоценозы таких дополнительных вложений энергии не получают.
На полях обычно выращивают какой-либо один вид растений. С хозяйственной точки зрения идеальный агроценоз должен был бы состоять из этого единственного вида, а идеальная пищевая цепь всего из двух звеньев: растение - человек или растение - домашние животные. Но такая система в природе невозможна. Она неустойчива. На полях после вспашки целины быстро формируются довольно разнообразные сообщества из видов, способных выжить в условиях постоянного антропогенного воздействия на поля. Формируются цепи питания из трех-четырех звеньев, возникают конкурентные взаимодействия и другие типы отношений между видами.
Например, в полях на растениях пшеницы обнаруживается в среднем около 300 видов одних только членистоногих. Кроме них, здесь обитают грызуны, птицы, богат мир почвенных беспозвоночных животных, разнообразных грибов, бактерий, развивается довольно много видов сорных растений. Таким образом, в агроценозах взаимодействуют сотни и даже тысячи видов, хотя это разнообразие значительно меньше, чем в большинстве природных сообществ.
В борьбе человека с сорняками и вредителями культурных растений постоянно возникает экологический «эффект бумеранга». В современном сельском хозяйстве в изобилии применяют разнообразные химические средства защиты растений - пестициды. Большинство пестицидов не обладает избирательным действием и подавляет не только те виды, против которых применяется, но и их паразитов и хищников. Таким образом, нарушаются возникающие в агроценозах регуляторные связи. Хищники и паразиты, занимая более высокие уровни в цепях питания, более чувствительны к ядам, чем те виды, которыми они питаются. Оставшаяся часть вредителей, освобожденная от регуляторов, дает новую, еще более высокую вспышку численности.
И з этого экологического тупика есть только один выход - не предельное упрощение агроценозов, а регуляция в них численности отдельных видов. Так, если в возникающей цепи питания: растение - растительноядное насекомое - паразит усилить последнее звено, то это также приведет к сохранению урожая.
Специальное использование, живых организмов - хищных или паразитических насекомых, насекомоядных или хищных птиц, бактерий, вирусов и т. д. - для подавления численности вредителей называют биологическим методом борьбы, или биометодом.
Устойчивую регуляцию численности отдельных видов может осуществить только сложное сообщество. Если оно развивается на полях, то при этом общая продукция культурных растений несколько понижается, так как часть ее идет в цепи питания, но зато достигается стабильность урожая, уменьшается опасность потерять много из-за массового размножения вредителей. Поэтому одно из самых современных направлений в сельскохозяйственной практике - поддержание как можно большего видового богатства и на полях, и в их окружении. В агроценозах человек должен стремиться также, сохранять разнообразие почвенных организмов, ответственных за почвообразовательные процессы и поддержание почвенного плодородия.
Другая группа причин, определяющая неустойчивость агроценозов, связана с тем, что из-за постоянного изъятия урожая человеком они не в состоянии более или менее полно поддерживать круговорот веществ. Все знают, как быстро истощается почва на полях и огородах, если люди не возвращают в нее биогенные элементы в виде минеральных или органических удобрений.
Поддерживать устойчивый биологический круговорот веществ на землях сельскохозяйственного пользования можно при экологически грамотном создании агроэкосистем.
5.4.2. Агроэкосистемы.
Агроэкосистемы - это такие сознательно спланированные человеком территории, на которых сбалансировано получение сельскохозяйственной продукции и возврат ее составляющих на поля. В правильно спланированные агроэкосистемы, кроме пашен, входят пастбища или луга и животноводческие комплексы. Элементы питания растений, изъятые с полей вместе с урожаем, возвращаются в систему биологического круговорота вместе с органическими и минеральными удобрениями. Высокое биологическое разнообразие поддерживается за счет специального планирования ландшафта: чередование полей, лугов, лесов, перелесков, создание живых изгородей, лесополос, водоемов и т. п. Большую роль в поддержании разнообразия видов на полях играет правильная организация севооборотов, чередование культур не только во времени, но и в пространстве.
Человек управляет работой агроэкосистем, внося в них значительное количество дополнительной энергии (обработка почвы, полив, удобрения, пестициды и т. п.).
Многие современные способы промышленного сельскохозяйственного производства по сути дела антиэкологичны: монокультуры, перевыпас скота, широкомасштабное применение ядохимикатов и чрезмерно высокие дозы минеральных удобрений, сплошная распашка почв и т. д. Они приводят к нарушениям нормальной деятельности экосистем, упрощению их структуры, устойчивости и катастрофическим изменениям в природе.
Поэтому наиболее передовым направлением современного сельского хозяйства является переход от принципов противоборства с природой к принципам сотрудничества с нею. Это означает максимальное следование экологическим законам в сельскохозяйственной практике.
5.4.3. Экосистема океана.
Экосистема океана занимает огромную поверхность (361 млн. км2) и обладает значительным объемом воды (1,37 млрд. км3), что составляет 94% объема всей гидросферы Земли. Это одна из самых обширных экосистем нашей планеты. Жизненная среда океана непрерывна, и в нем отсутствуют границы, препятствующие расселению живых организмов. В океане вода находится в постоянном движении, при этом особую роль играют морские течения. Помимо горизонтальной циркуляции вод в океане существует и вертикальная. В водах океана растворено 48 х 1015 т солей. Эти физико-химические особенности океана и создают благоприятные условия для образования и развития разнообразных форм живых организмов. Так, в настоящее время в океане насчитывается более 160 000 видов животных и около 10 000 видов растений. Среди животных около 16 000 видов рыб, 80 000 видов моллюсков, более 20 000 видов ракообразных, 15 000 простейших (в основном радиолярии и фораминиферы) и т.д. Среди растений в океане преобладают водоросли: диатомовых насчитывается - около о 000 видов, красных -2 500, бурых и сине-зеленых - около 2000 и т.д. (Физическая география Мирового океана, 1980). Несмотря на такое разнообразие жизни в океане, его органический мир в водной толще (по горизонтали и вертикали) распределяется неравномерно. Абиотические факторы водной среды (световой режим, температура, соленость, плотность и др.) позволяют водную толщу океана подразделить на несколько зон, различающихся по условиям существования организмов. Так, в зависимости от освещенности в океане выделяют: верхнюю освещенную (эвфотическую) зону - до 200 м, и нижнюю, лишенную света (афотическую) - глубже 200 м и до максимальных глубин (Марианская впадина - 11 022 м). На рис. 16 показаны основные экологические зоны Мирового океана, показывающие вертикальную зональность распределения живых организмов. В океане прежде всего выделяют две экологические области: толщу воды - пелагиаль и дно - бенталь. В зависимости от глубины бенталь делится на литоральную (до 200 м), батиальную (до 2500 м), абиссальную (до 6000 м) и ультраабиссальную (глубже 6000 м) зоны. Пелагиаль также подразделяется на вертикальнее зоны, соответствующие по глубине зонам бентали: эпипелагиалъ, батипелагиаль и абиссопедагиалъ. Прибрежная (литоральная) зона в свою очередь делится на - супралитораль (полоса заплесков волн, заливаемая лишь во время самых высоких - сизигийных - приливов), собственно литораль (приливно-отливная зона) и сублитораль (постоянно покрытая водой, до глубины 200 м, реже до 500 м), составляющие вместе материковую отмель (шельф).
В мелководной неритической зоне экологические условия по сравнению с открытым океаном наиболее оптимальны для морских организмов:
световой и температурный режим, достаточное количество питательных веществ и др., поэтому здесь наблюдается максимальное видовое разнообразие фауны и флоры. Здесь сконцентрировано около 80% всей биологической продукции океана. В открытом океане несколько другая экологическая обстановка: пища менее сконцентрирована, поэтому здесь разнообразны активно плавающие организмы (рыбы, китообразные, кальмары, осьминоги и др.), многочисленны хищные рыбы - акулы, тунцы.
Рис.16 Основные экологические зоны Мирового океана.
Своеобразны условия жизни в глубоководных зонах океана: полная темнота, огромное давление, пониженная температура воды, недостаток пищевых ресурсов и др. Все это приводит к адаптациям живущих здесь организмов: редукция плавательного пузыря у рыб или заполнение его полости жировой тканью, атрофирование органов зрения, развитие органов свечения и пр. В океане известно более 800 светящихся видов организмов, в том числе 200 видов моллюсков, около 300 видов рыб, свыше 150 видов ракообразных и др.
В экосистеме Мирового океана принимают участие все основные экологические группы морских организмов. Перенос энергии и веществ происходит главным образом по трофическим цепям: фитопланктон - зоопланктон - планктоноядные рыбы - хищные рыбы и т.д. В экосистеме океана в роли организмов-деструкторов выступают бактерии, основная масса которых приурочена к морскому дну. Биогенные остатки (органический детрит) заключают в себе огромный запас пищи; ими питаются в основном обитатели дна и некоторые животные глубоководной зоны океана.
Рис. 17 Экологическая система океана (по Ж. Пересу, 1969)
Своеобразной зоной Мирового океана, характеризующейся высокой рыбопродуктивностью» является апвеллинг, т.е. подъем вод из глубины в верхние слои океана, как правило, на западных берегах контингентов. Для этой зоны характерны: высокая концентрация кислорода и биогенных веществ, огромные популяции рыб и морских птиц, отличающихся короткими пищевыми цепями, а также периодическое "цветение вод" (красные приливы), при котором массовое размножение ядовитых динофлагеллят приводит к гибели гидробионтов и т.д. Зоны апвеллинга - это наиболее рыбопродуктивные районы океана (потенциальный улов рыбы в млн. т. в год: для Перуано-Чилийского - 12, для Калифорнии - 5, для северо-западной части Африки - 4 млн. т и др.).