Биология

Понятие о биогеоценозе и экосистеме

Еще сто лет назад для путешествия на тысячу километров понадобились бы недели, сегодня мы тратим на это до двух часов в самолете. Казалось бы, можно выбрать любое место на планете и поселиться там. Однако мы связаны с нашей малой родиной и ее экосистемами тесней, чем можем себе представить. Ученые выяснили, что химический состав воды в нашей крови имеет много общего с составом пресных водоемов, рядом с которыми мы родились и выросли. Кроме того, жителям равнин необходимо больше кислорода, чем горцам. Прогресс сделал географические границы условностью, но каждый человек всё равно остается частью своего биогеоценоза.

Понятие о биогеоценозе и экосистеме

Каждый живой организм связан с окружающей средой потоками вещества и энергии, проходящими через его тело. Потребляя и выделяя вещество и энергию, живые организмы влияют на среду своего обитания уже тем, что живут.

Рис. 1.

Результаты жизнедеятельности каждого отдельного существа могут быть невелики и малозаметны. Но все вместе они сливаются в мощную силу, преобразующую земную поверхность.

Выдающийся отечественный ученый, естествоиспытатель, автор ряда наук о Земле и учения о биосфере, В.И. Вернадский, писал: «На Земле нет силы, более могущественной по своим последствиям, чем живое существо».

Рис. 2.

В биоценозах все популяции видов связаны друг с другом сложной пищевой сетью. Энергия поступает в организм животного из растений, которые черпают запасы энергии из неживой природы.

Рис. 3.

В итоге любой биоценоз представляет собой некое единство со своим биотопом, создавая целостную систему, которую называют экосистемой. Организованная в экосистемы, жизнь на Земле непрерывно продолжается уже миллионы лет.

Экосистемы бывают разных масштабов: наземные и водные (http://spb.ria.ru/Infographics/20120420/497641154.html).

Пруд с его обитателями, озеро, море, океан, небольшой лес, целая тайга, степь и пустыня – всё это природные экосистемы.

Рис. 4. Водная экосистема

Аквариум, сад, пшеничное поле экосистемы, созданные человеком

Рис. 5. Искусственные экосистемы

Наземные экосистемы, связанные с участками однородной растительности, называют биогеоценозом.

Рис. 6. Березняк разнотравный 

Например, ельник кисличный, ельник зеленомошный и березняк разнотравный, сфагновое болото, луг, ковыльная степь и т.д.

Рис. 7. Ковыльная степь

Рис. 8. Луг

Рис. 9. Сфагновое болото

Рис. 10. Ельник зеленомошный

Рис. 11. Ельник кисличный 

В названии «биогеоценоз» подчеркивается тесная взаимосвязь «био» – живых и «гео» – неживых компонентов на определенном участке поверхности.

Учение о биогеоценозе и сам термин создал русский ботаник Владимир Николаевич Сукачёв.

Рис. 12. 

Экосистем на Земле очень много, существенным свойством каждой из них является круговорот веществ и потоков энергии. Из-за большой роли живых организмов круговорот в экосистемах часто называют биологическим круговоротом веществ.

Рис. 13. 

Биологический круговорот веществ является главным условием существования  экосистемы.

Рис. 14. 

Структура экосистемы

Круговорот веществ в биогеоценозе осуществляется благодаря наличию четырех неотъемлемых компонентов: абиотического компонента, то есть запасов биогенных  веществ и солнечной энергии; продуцентов – создающих органическое вещество; консументов – употребляющих органическое вещество; редуцентов – разлагающих мертвое органическое вещество.

Рис. 15. 

Биогенными веществами называют минеральные соединения, которые используются для синтеза органических веществ.

Продуценты – организмы, создающие эти органические вещества, запасающие в них лучистую энергию Солнца.

Рис. 16. Продуценты

Это фотосинтезирующие растения и некоторые прокариоты (зеленые бактерии, цианобактерии).

Консументы – переработчики органической продукции, в основном животные, а также грибы и некоторые паразитические  и насекомоядные растения.

Рис. 17. Консументы

Рис. 18. Редуценты

Редуценты – организмы, разлагающие мертвые остатки растений, животных и других представителей живого мира, до минеральных соединений, газа, воды и минеральных солей. В роли редуцентов выступают, преимущественно, бактерии, грибы и некоторые животные.

Рис. 19. Редуценты

Совместная деятельность этих разных по экологическим функциям групп организмов является двигателем биологического круговорота в биогеоценозе. Биогеоценозы, или экосистемы, устойчивы лишь в том случае, когда все четыре компонента, входящие в их состав, поддерживают круговорот веществ достаточно полно.

Рис. 20. 

Круговорот веществ поддерживается в биогеоценозах постоянно притоком всё новых и новых порций энергии. Хотя по закону сохранения энергии, она не исчезает бесследно, а лишь переходит из одной формы в другую, круговорота энергии в экосистемах быть не может. Расходуясь на жизнедеятельность организмов, усвоенная ими энергия постепенно переходит в тепловую и рассеивается в окружающем пространстве. Таким образом, деятельность экосистемы напоминает круговое вращение мельничного колеса в потоке воды.

Если взять для примера пищевую цепь «кочан капусты, коза и волк» – можно проследить, как расходуется энергия, полученная от Солнца и связанная в кочане капусты.

Рис. 21. 

От усвоенной животным пищи лишь небольшая ее доля идет на рост организма, то есть укладывается в теле животного, остальная тратится на обмен веществ, обеспечение размножения, часть удаляется из организма, как неусвоенная пища. Подсчитано, что на рост идет около 10 процентов усвоенной энергии. Следовательно, в теле козы задержится даже менее десятой части энергии, заключенной в кочане капусты, так как часть вещества не усваивается. Когда же волк съест козу, то на рост его тела также достанется 1 процент энергии, которая первоначально была в капусте.

В каждом последующем звене цепи питания количество содержимой энергии  уменьшается примерно в 10 раз, и уже через 4-5 звеньев она практически полностью истекает.

Это так называемое правило 10% имеет огромное практическое значение. Это правило позволяет понять, как расходуется в экосистеме продукция, т.е. органическое вещество, создаваемое растениями, за определенный промежуток времени.

На создание 1 кг массы растительноядных животных затрачивается в десять раз больше солнечной энергии, чем на 1 кг массы растений.

Рис. 22. 

Продукция плотоядных поэтому обходится дороже в сто раз. Передача органического вещества и энергии по цепям питания подчиняется правилу 10%.

Человеческое общество живет за счет первичной и вторичной продукции растений и животных. Продукция животных обходится и людям, и природе дороже, чем растительная.  Поэтому проблема голода для населения разных стран начинается, прежде всего, с нехватки вторичной продукции – животных белков, необходимых в рационе человека. Даже в самых устойчивых биогеоценозах Земли круговорот веществ не замкнут, часть вещества переносится ветром, течениями, сносится в понижение рельефа, мигрирует с поверхностным стоком и подземными водами. В результате все экосистемы суши и океана оказываются связанными в единую глобальную систему – биосферу.

Рис. 23. 

Множество связанных друг с другом круговоротов складываются в установившийся за многие миллионы лет глобальный круговорот биосферы, поддерживающий жизнь на планете.

В. И. Вернадский разработал учение, которое характеризует биосферу не только как область распространения жизни на Земле, но и как часть планеты, преобразованной жизнью. Согласно Вернадскому, круговороты важнейших элементов в биосфере создают организмы. Благодаря им химические вещества оболочек Земли переменно переходят из  неживой природы в живое вещество, а из живого вещества – в неживую природу, поэтому биосферу называют глобальной экосистемой.

Рис. 24. 

Биологический круговорот зародился с момента появления на земле первых организмов: консервантов, или протобионтов, и продолжается на протяжении миллионов лет. Так поддерживается жизнь и существование биосферы. Биосфера – закономерный продукт эволюции планеты.

Рис. 25. 

Вместе с тем, биосфера является ареной жизни и хозяйственной деятельности человека. В своем глобальном проявлении биосфера, как глобальная экосистема, аккумулирует энергию с помощью растений и Солнца и трансформирует ее в живые системы, обеспечивая непрерывность и многообразие жизни.

Распределение энергии в трофической сети

Одна и та же порция вещества и заключенная в нем энергия не могут бесконечно передаваться по сложной сети питания, связующей организмы в биогеоценозе. На самом деле, трофическая сеть состоит из переплетения коротких пищевых цепей. Каждое звено ряда называют трофическим уровнем. Примером короткой пищевой цепи является последовательность «капуста (І трофический уровень), коза (ІІ трофический уровень) и волк (ІІІ трофический уровень)».

Рис. 26. 

Капуста с экологической точки зрения – продуцент, коза – консумент І порядка, а хищный волк – консумент ІІ порядка.

Рис. 27. 

Правило 10%

Правило 10% можно выразить графически и в виде так называемых экологических пирамид. В пирамидах отображают число особей, включенных в пищевую цепь, – пирамида численности; биомассу экосистемы – пирамида биомассы, вовлеченную в оборот энергию – пирамида энергии. Нижняя ступень соответствует первому трофическому уровню, а каждая последующая ступень показывает на десять раз меньше, чем предыдущая.

Рис. 28. 

Вопросы:

1. Как вы понимаете «правило экологической пирамиды»?

2. Как связан любой живой организм с окружающими его живыми существами?

3. Назовите наиболее глобальную и самую маленькую экосистему.

4. Чем отличается понятие экосистемы и биоценоза?

 

Ссылки на литературу

1. Мамонтов С.Г., Захаров В.Б., Агафонова И.Б., Сонин Н.И. Биология. Общие закономерности. – М.: Дрофа, 2009.

2. Пасечник В.В., Каменский А.А., Криксунов Е.А. Биология. Введение в общую биологию и экологию: Учебник для 9 класса. 3-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2002.

3. Пономарева И.Н., Корнилова О.А., Чернова Н.М. Основы общей биологии. 9 класс: Учебник для учащихся 9 класса общеобразовательных учреждений / Под ред. проф. И.Н. Пономаревой. – 2-е изд., перераб. – М.: Вентана-Граф, 2005.