Любую совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может поддерживаться круговорот вещества, называют экологической системой или экосистемой.
Природные экосистемы могут быть разного объема и протяженности: небольшая лужа с ее обитателями, пруд, океан, луг, роща, тайга, степь - все это примеры разномасштабных экосистем. Любая экосистема включает живую часть - биоценоз и его физическое окружение. Более мелкие экосистемы входят в состав все более крупных, вплоть до общей экосистемы Земли. Общий биологический круговорот вещества на нашей планете также складывается из взаимодействия множества более частных круговоротов.
Экосистема может обеспечить круговорот вещества только в том случае, если включает необходимые для этого четыре составные части: запасы биогенных элементов, продуценты, консументы и редуценты.
Продуценты - это зеленые растения, создающие из биогенных элементов органическое вещество, т. е. биологическую продукцию, используя потоки солнечной энергии.
Консументы - потребители этого органического вещества, перерабатывающие его в новые формы. В роли консументов выступают обычно животные. Различают консументы первого порядка - растительноядные виды и второго порядка - плотоядных животных.
Редуценты - организмы, окончательно разрушающие органические соединения до минеральных. Роль редуцентов выполняют в биоценозах в основном грибы и бактерии, а также другие мелкие организмы, перерабатывающие мертвые остатки растений и животных.
Жизнь на Земле продолжается уже около 4 млрд лет, не прерываясь именно потому, что она протекает в системе биологических круговоротов вещества. Основу этого составляет фотосинтез растений и пищевые связи организмов в биоценозах.
Однако биологический круговорот вещества требует постойнных затрат энергии.
В отличие от химических элементов, многократно вовлекаемых в живые тела, энергия солнечных лучей, задержанная зелеными растениями, не может использоваться организмами бесконечно.
По первому закону термодинамики, энергия не исчезает бесследно, она сохраняется в окружающем нас мире, но переходит из одной формы в другую. По второму закону термодинамики, любые превращения энергии сопровождаются переходом части ее в такое состояние, когда она уже не может быть использована для работы. В клетках живых существ энергия, обеспечивающая химические реакции, при каждой реакции частично превращается в тепловую, а тепло рассеивается организмом в окружающем пространстве. Сложная работа клеток и органов сопровождается, таким образом, потерями энергии из организма. Каждый цикл круговорота веществ, зависящий от активности членов биоценоза, требует все новых поступлений энергии.
Таким образом, жизнь на нашей планете осуществляется как постоянный круговорот веществ, поддерживаемый потоком солнечной энергии. Жизнь организуется не только в биоценозы, но и в экосистемы, в которых осуществляется тесная связь между живыми и неживыми компонентами природы.
Разнообразие экосистем на Земле связано как с разнообразием живых организмов, так и условий физической, географической среды. Тундровые, лесные, степные, пустынные или тропические сообщества имеют свои особенности биологических круговоротов и связей с окружающей средой. Водные экосистемы также чрезвычайно различны. Экосистемы отличаются по скорости биологических круговоротов и по общему количеству вовлекаемого в эти циклы вещества.
Основной принцип устойчивости экосистем - круговорот вещества, поддерживаемый потоком энергии, - по сути дела обеспечивает бесконечное существование жизни на Земле.
По этому принципу могут быть организованы и устойчивые искусственные экосистемы, и производственные технологии, в которых сберегается вода или другие ресурсы. Нарушение согласованной деятельности организмов в биоценозах обычно влечет за собой серьезные изменения круговоротов вещества в экосистемах. Это главная причина таких экологических катастроф, как падение почвенного плодородия, снижение урожая растений, роста и продуктивности животных, постепенное разрушение природной среды.
Видеоурок 1: Взаимодействие организма и среды. Экосистемы. Биогеоценозы
Видеоурок 2:
Абиотические факторы: температура и освещенность
Видеоурок 3:
Биотические факторы
Лекция: Экосистема (биогеоценоз), её компоненты: продуценты, консументы, редуценты, их роль
Экосистема
Экосистема – это сообщество живых организмов, пространственной среды их обитания и системы взаимосвязей между всеми участниками.
Особенностями экосистемы являются ее способности к саморегуляции, развитию и самоорганизации. Экосистемой может называться сообщество, в котором стабильно и на протяжении длительного времени происходит круговорот вещества и энергии. Таким образом, например, домашний аквариум экосистемой называться не может, так как неспособен самостоятельно поддерживать собственную жизнедеятельность без участия человека. Равно, не является экосистемой и трухлявый пень в лесу, так как жизнедеятельность в нем является частью большей экосистемы.
Примерами экосистемы могут быть – пруд, лес, луг. Например, в пруду обитают различные животные, растения, микроорганизмы, являющиеся живыми компонентами экосистемы. Между ними имеются связи в плане переноса вещества и энергии – трофические взаимоотношения. На них оказывают влияние физические и химические параметры воды, геологические характеристики дна и стенок водоема, сезонные климатические изменения.
Одним из важных параметров для определения границ экосистемы, является наличие трофических связей между ее компонентами, фактов передачи ими друг другу веществ и энергии.
Любая экосистема является с точки зрения физики открытой системой, в которой есть входящие и выходящие потоки энергии и вещества.
Синонимом термина экосистема является понятие биогеоценоз.
Биотический и абиотический компоненты
В любом биогеоценозе выделяются биотический и абиотический компоненты. При этом участники биотического компонента по своей роли в ней могут быть:
продуцентами. Это автотрофные и хемотрофные организмы, преобразующие энергию и неорганические вещества в органические;
консументами. Это гетеротрофные потребители энергии, находящейся в веществе в виде химических связей. Они могут подразделяться на несколько порядков: консументы первого поедают растения и хемотрофов, второго – поедают консументов первого, то есть растительноядных животных, третьего – питаются консументами второго, то есть мелкими хищниками;
редуцентами. Это гетеротрофы, разлагающие органику на простые органические и минеральные вещества. К ним относятся грибы, многие простейшие, личинки некоторых насекомых, питающиеся опавшей листвой, погибшими животными.
Между биотическими компонентами экосистемы формируются устойчивые трофические связи. К абиотическим факторам относятся влияния неживой природы.
Еще одним важным понятием биогеоценологии является продуктивность экосистемы. Это понятие определяет количественную биомассу, произведенную экосистемой, то есть совокупность всех живых существ в ней. Расчет биомассы обычно производится в единицах количества массы живых существ на единицу площади.
Границы экосистемы
В большинстве случаев экосистемы не имеют четких границ, для сообществ, образующихся на границах разных экосистем даже создан специальный термин, их принято называть экотонами.
Для удобства изучения, рассматриваются два типа границ экосистем:
Видовые – этот тип границ определяется ареалом расселения отдельных особей, обитающих в конкретной экосистеме;
Пространственные – определяются чаще всего ландшафтными. Луг с одной стороны горы и с другой – будут считаться различными экосистемами.
Трофические цепи и сети
Каждая из экосистем характеризуется наличием трофических цепей и сетей:
Цепью питания называется последовательно связанная пищевыми отношениями группа видов. Каждое из предыдущих звеньев цепи является пищей для следующего.
Так, примером цепи питания может служить последовательность:
растения – насекомые – головастик – форель – донные сапрофиты.
При каждом переходе вещества от одного звена к другому происходит потеря (тратится на жизнь предыдущего звена и выделяется в виде тепла) до 90% потенциальной энергии. Именно поэтому число звеньев в трофических цепях обычно ограничено четырьмя-пятью.
Трофической сетью называется более сложная структура пищевых отношений, учитывающая, что каждое звено пищевой цепи может быть пищей для разных видов. Так, траву едят не только травоядные животные, но и насекомые, и всеядные животные. При отслеживании таких взаимоотношений получается графическая схема, напоминающая разветвленную сеть.
Известно 2 основных типа трофических цепей:
1) пастбищная – в ней первичным звеном являются зеленые растения-продуценты. Характерен для луговых, океанических экосистем;
2) детритная – в ней первым звеном являются сапротрофы (редуценты), разлагающие органику. Сапротрофами питаются другие организмы.
При этом, в пастбищных цепях питания участвует только 10% энергии, остальные 90% – приходятся на долю детритных. Это связано с тем, что огромная часть энергии, создаваемой автотрофами, переходит в органические «отходы», где используется сапротрофами.
Правило экологической пирамиды
Графическое изображение количественных соотношений между участниками цепей питания называется экологической пирамидой.
Такое изображение пищевых отношений основано на правиле Лендемана:
Правило экологической пирамиды: "При передаче вещества от одного трофического уровня к другому количество доступной для усвоения энергии становится в 10 раз меньше".
Оно используется для приближенных вычислений при решении задач по экологии и предлагает считать, что для прокорма растительноядных животных необходима масса растений, в 10 раз превышающая их собственную. Для прокорма хищника – требуется масса мяса растительноядных, превышающая его массу в 10 раз.
| | |
Продуце́нты (также автотрофные организмы, автотрофы)- организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических. В основном, зелёные растения (синтезируют органические вещества из неорганических в процессе фотосинтеза), однако некоторые виды бактерий-хемотрофов способны на чисто химический синтез органики и без солнечного света. Являются первым звеном пищевой цепи.
Редуценты (также деструкуторы, сапротрофы, сапрофиты) - организмы, разрушающие остатки мёртвых растений и животных (черви, мокрицы, раки, сомы, грифы) и превращающие их в неорганические соединения (бактерии, грибы).
Консументы (лат. consumo - потребляю, также гетеротрофные организмы, гетеротрофы) - организмы, неспособные синтезировать органические вещества из неорганических. Потребляют органические вещества в готовом виде (1-го порядка - растительноядные, 2-го и больших порядков - плотоядные и хищники; всеядные животные). Являются вторым, третьим и далее звеньями пищевой цепи.
6. Среда обитания, пути приспособления к ней организмов.
Многие организмы в течение жизни периодически испытывают влияние факторов. Им приходится переносить и сильную журу, и сильные морозы, и летние засухи, и пересыхание водоемов, и нехватку пищи.
При ухудшении условий среды многие виды способны приостанавливать свою жизнедеятельность и переходитьв состояние скрытой жизни.
Глубокий анабиоз - это практически полная остановка обмена веществ. В отличии от смерти при этом организмы могут возвращаться к жизни. Переход в состоянии анабиоза расширяет возможности выживания организмов в самых суровых условиях.
Скрытая жизнь – очень важное экологическое приспособление. Это возможность переживать неблагоприятые изменения среды обитания. При востановлении необходимых условий организмы вновь переходят к активной жизни.
Переходя в состояние оцепенения или покоя, растения и животные как бы подчиняются воздействиям среды, экономя при этом затраты на свое существование.
Другой, прямо противоположный путь выживания организмов связан с поддержанием постоянства внутренней среды, несмотря на колебания воздействий внешних факторов. Обитая в условиях ихменчивой темпиратуры, теплокровные животные – птицы и млекопитающие – поддерживают внутри себя постоянную темпиратуру, оптимальную для биохимических процессов в клетках тела.
Возможен и третий способ выживания – избегание неблагоприятных условий и активный поиск других, более благоприятных местообитаний. Этот путь доступен только подвижным животным.
Так, например, зимующие тетерева и рябчики на большую часть суток зарываются в снег, где гораздо теплее.
Все живые организмы на нашей планете можно отнести к продуцентам, консументам или редуцентам. О чем говорят эти термины? Каковы особенности организмов, относящихся к той или иной категории? На основании чего предложена такая классификация? Об этом будет рассказано в статье. Кроме того, более подробно будет раскрыт вопрос о том, кто такие редуценты. Примеры этих организмов тоже будут приведены ниже.
Описание трофической (пищевой) цепи
Все населяющие Землю растения, животные, микроорганизмы, грибы и т. д. включены в своеобразные взаимоотношения, называемые учеными трофической цепью (или пищевой). Одни из них поедают других, благодаря чему происходит перенос энергии от одного звена воображаемой цепи к другому. Таким образом, между ними существует простая связь: «пища - потребитель пищи».
Первое звено пищевой цепи составляют так называемые продуценты, или автотрофы. К ним относится большинство растений, водоросли. У продуцентов нет предшественников, для них характерно преобразование неорганических веществ в органические, благодаря чему происходит накопление энергии, и продуценты могут быть употреблены в пищу представителями следующего звена. Их называют консументами.
Консументы могут быть 1-го, 2-го, 3-го и 4-го порядка. Консументы 1-го порядка - обычно травоядные животные, 2-го - хищники, которые употребляют в пищу и т. д.
Далее в пищевой цепи размещаются деструкторы, или редуценты - организмы, которые перерабатывают органику обратно в неорганические вещества (или простейшие органические), обеспечивая, таким образом, процесс разложения и круговорот веществ в природе. Это важнейшее звено - «санитары». Можно привести следующие примеры редуцентов: сапротрофные бактерии, актиномицеты, грибы (например, рода Penicillium).
Роль этих организмов в трудно переоценить. Благодаря им органические остатки разлагаются без следа, обретая доступную для потребления продуцентами (автотрофами) структуру и форму. Продуценты-растения, потребляя их, наращивают зеленую массу и служат пищей для животных, людей. Значительную роль в природе играют редуценты - почвообразовательные бактерии, которые разлагают растительные и животные органические останки, способствуя тем самым превращению их в перегной а его, в свою очередь, - в минеральные соли.
Отличие редуцентов от падальщиков
Некоторые ошибочно считают, что к редуцентам относятся животные и птицы, питающиеся падалью. Но это не так. Главное отличие их от детритофагов (падальщиков) заключается в том, что организмы, питающиеся падалью, производят твердые отходы в виде экскрементов. Подобные продукты жизнедеятельности отсутствуют у редуцентов. Роль их заключается в разрушении - деструкции сложных органических веществ и превращении их в более простые по структуре (мочевина) либо неорганические. Детритофагов же, производящих твердые отходы, традиционно относят к консументам.
Потери энергии при переходах от одного уровня пищевой цепи к другому
При переходе энергии от продуцентов к консументам значительная ее часть теряется (до 80-90%), чаще всего в виде тепла. Это причина, по которой длина пищевой цепи обычно ограничена 3-6 звеньями.
Основные причины потери энергии следующие:
- Организмы двигаются и тратят энергию на клеточное дыхание, обеспечивая свою жизнедеятельность.
- Не вся органика может быть переварена животными, и часть ее выходит в виде экскрементов.
- Далеко не все организмы предыдущего уровня попадают в пищу представителям следующего. Значительная их часть просто погибает по разным причинам.
- Экскременты и погибшие организмы перерабатываются редуцентами в свою энергию.
Соотношение биомассы на разных уровнях
Учитывая сказанное выше, можно сделать вывод, что для сохранения экологического равновесия количество живых организмов на предыдущем уровне должно значительно превышать таковое на следующем. Иными словами, производителей должно быть больше, чем потребителей. При этом количество хищников на последующих уровнях уменьшается, но они становятся крупнее. Этот закон получил название правила экологической пирамиды.
Как же обстоит дело с редуцентами? Смена экосистем не имеет здесь значения: редуценты в ней все равно будут присутствовать. Именно их взаимная зависимость с консументами и продуцентами обеспечивает гарантию того, что при любых катастрофических обстоятельствах биогеоценоз не будет разрушен, и утраченные связи восстановятся.
Что же касается соотношения редуцентов и остальных групп в природе, то это вопрос довольно сложный, ведь мы имеем дело с чрезвычайно маленькими организмами. Как свидетельствуют исследования, ни общая их биомасса, ни численность не могут говорить о степени их продуктивности. Измерение такой биомассы затруднено и к тому же мало информативно. Так, количество микроорганизмов в почве может оставаться одним и тем же, но в различных условиях они будут демонстрировать разную активность.
Можно говорить о том, что в продуктивных экосистемах биомасса этих микроорганизмов составляет примерно 10-100 г на квадратный метр. Если посмотреть на показатели в тундре или пустыне, то они будут намного меньше, как и активность редуцентов. Смена экосистемы в данном примере дает возможность учитывать разные условия обитания.
В заключение
В статье была кратко описана структура пищевой цепи, а также более подробно рассказано о том, кто такие редуценты (с примерами).
Интересно, что такие звенья пищевой цепи, как консументы, отсутствовали на Земле на протяжении около 2 миллиардов лет, когда экосистемы состояли только из доядерных организмов, называемых прокариотами. А вот без редуцентов их существование было бы невозможно, ведь кто-то должен превращать органические вещества, продуцируемые пусть даже простейшими микроорганизмами, снова в неорганические. Благодаря жизнедеятельности редуцентов, примеры которых были приведены в статье, в почву возвращаются вода и минеральные соли. Таким образом, круг замыкается, и организмы-продуценты (автотрофы) снова могут воспользоваться полезными веществами.