Поняття та класифікація екологічних систем

1. Історія формування «поняття« екосистеми

2. Властивості екосистем

3. Структура екосистем

 

 

Екосистемою можна назвати будь-який об'єкт, де живі і неживі компоненти функціюють як єдине ціле завдяки колообігу речовин, що здійснюється з використанням зовнішнього джерела енергії і призводить до створення певної структури, або, іншими словами – це система, елементами якої є біотичні і абіотичні компоненти, пов'язані речовинно-енергетичними та інформаційними потоками, відмежована від аналогічних утворів колообігом речовин певного ступеня замкненості.

Форбс (S. Forbs, 1887) першим розглядав природний комплекс організмів та їхнього абіотичного оточення як цілісну систему і запропонував для нього термін “мікрокосм”. Мікрокосмом він назвав озеро разом з організмами, що його населяють. Форбс підкреслював, що вплив на окремі компоненти неминуче тягне за собою і зміни всього цілого; водночас аналіз цілого є необхідною умовою задовільного розуміння будь-якої його частини. Таким чином “мікрокосм” Форбса досить близький сучасному поняттю “екосистема”.

В умовах водойм цілісна взаємодія біотичних і абіотичних факторів виявляється особливо чітко. Тому не випадково саме в гідробіології в кінці 19 -початку 20 століття почали успішно розроблятися проблеми взаємодії біоценозу і біотопу як компонентів єдиного цілого (Hensen, 1887; Джонсон, 1919).

Слід відзначити, що необхідність синтетичного підходу у вивченні наземних екосистем була вперше усвідомлена і сформульована у вигляді головної концепції вченими, які працювали над вивченням грунтів – природного тіла, в утворенні якого в нерозривній єдності сплелися біотичні і абіотичні фактори. Це відбулося в самому кінці 19 століття, коли з закликом розгорнути міждисциплінарні комплексні дослідження цілісних природніх систем виступив видатний російський вчений В. В. Докучаєв.

“Вивчалися, головним чином, окремі тіла, – мінерали, гірські породи, рослини і тварини, – і явища, окремі стихії, вогонь (вулканізм), вода, земля, повітря, в чому, повторюємо, наука і досягла, можна сказати, дивних результатів, але не їх відносини, не та генетичний, віковічний, і завжди закономірний зв'язок, що існує між мертвою і живою природою, між рослинними, тваринними і мінеральними царствами, з одного боку, людиною, її побутом і навіть духовним світом – з іншого. Саме ці співвідношення, ці закономірні взаємодії і складають суть пізнання єства (естества), ядро істиної натурфілософії (Докучаев, 1949, с. 317).

Початок практичного здійснення цієї широкої програми стосовно наземних природних комплексів пов'язано з ім'ям Г. Ф. Морозова (1867-1920 рр.) – засновника вчення про ліс. В своїй знаменитій праці він підкреслював, що ліс і його територія повинні зливатися для нас в єдине ціле, в географічний індивідум або ландшафт.

Ліс це цілий гуртожиток (общежитие) не лише рослинних, але і тваринних форм, що існують під владою зовнішнього географічного середовища і у зв'язку з ним. Таке цілісне уявлення про ліс передбачає необхідність вивчати як власне сам ліс, як такий, так і різні сторони його життя з умовами, що їх породжують (Морозов, 1925, с. 319-320, 322-323).

Схожі ідеї висловлював Р. І. Аболін (1914) на основі вивчення боліт. Він вважав, що поверхнева оболонка Землі, названа ним «епігенемою» (що майже відповідає поняттю про екосферу чи біогеоценотичну оболонку) складається з окремих ділянок, які він називав «епіморфами» (приблизно відповідає поняттю про біогеоценози). В межах епіморфи рельєф, грунт, земля (почва) і рослинність поєднуються (сочетаются) і взаємодіють між собою, причому всередині її характер взаємодій зберігається відносно однорідним.

Екосистема – це просторова система, що охоплює історично сформований комплекс живих істот, пов'язаних між собою трофічними зв'язками, та неживих компонентів середовища існування, які залучаються ними в процесі обміну речовин та енергії

Поняття екосистеми, введене у 1935 р. А. Тенслі, використовується для позначання систем, у яких здійснюється кругообіг речовин будь-якого рангу.

За А. Тенслі екосистема є більш фундаментальним поняттям, оскільки включає в себе не тільки комплекс організмів, але й комплекс фізичних факторів, які утворюють те, що ми називаємо середовищем.

Відповідно, не можна відділити організми від специфічного середовища, з яким вони утворюють єдину цілісну фізичну систему. А. Тенслі розглядав екосистеми як основні одиниці природи на поверхні землі, згідно з поглядами цього дослідника, не мають певного об'єму і можуть охоплювати простір будь-якої протяжності. Це основна відмінність між розумінням понять екосистеми і біогеоценозу.

 

 

Екосистема є основною функціональною одиницею біосфери. Живі організми та абіотичне середовище, як важливі складові екосистеми, впливають одна на одну та обмінюються речовиною і енергією.

Екосистема – єдиний природний або природно-антропогенний комплекс, утворений живими організмами та середовищем їх існування, в якому живі і неживі компоненти поєднані між собою причинно-наслідковими зв'язками, обміном речовин та розподілом потоку енергії.

Екосистеми – відкриті функціонально цілісні системи, які існують за рахунок надходження з навколишнього середовища енергії та частково речовини і які саморегулюються та самовідтворюються. Проте антропогенні екосистеми. Що створені людиною і функціонують за її безпосередньою участю, не здатні саморегулюватися і самовідтворюватися. Здатність екосистем до саморегуляції та самовідтворення називають гомеостазом.

І для екосистеми, і для біогеоценозу властиві основні ознаки:

Незалежність від зовнішніх джерел енергії, але не від енергії сонця.

Як в межах екосистеми, так і в межах біогеоценозу, здійснюється постійний кругообіг речовин, включаючи воду та інші неорганічні елементи та сполуки.

Для підтримання кругообігу речовин у системі необхідна наявність запасів неорганічних молекул у формі, яка може засвоюватися живими організмами, тому в екосистемі виділяють три екологічні групи організмів: продуценти, консументи і редуценти. Ця класифікація відносна, оскільки і продуценти, і консументи частково можуть виступати у ролі редуцентів. Вони протягом свого життя виділяють у оточуюче середовище мінеральні продукти обміну речовин.

Розміри екосистеми можуть різні. Наприклад, подушка лишайників на стовбурі дерева і лук, пустеля, водойма, океан тощо. У кожній такій екосистемі є продуценти, консументи і редуценти.

В складних природних угрупованнях організми, що отримують енерґію від Сонця через однакову кількість ступенів, рахуються як такі, що належать до одного трофічного рівня. Так, зелені рослини займають перший трофічний рівень (продуцентів) ; травоїдні тварини – ругий (первинних консументів), а первинні хижаки, що їдять травоїдних – третій рівень (вторинних консументів), а вторинні хижаки – четвертий (третинних консументів) трофічний рівень.

  

Рис. 1. Трофічні рівні в екосистемі і піраміда біомас

 

 

Ю. Одум деталізує структуру екосистеми, виділяючи в ній такі компоненти:

1) неорганічну речовину (С, N, СО2, Н2О та ін.), яка включається в кругообіги;

2) органічні сполуки (білки, вуглеводи, ліпіди, гумінові речовини тощо), які зв'язують біотичну і абіотичну частини екосистеми;

3) кліматичний режим (температура та інші фізичні фактори) ;

4) продуценти – автотрофні організми, головним чином зелені рослини, здатні створювати корм з простих неорганічних сполук;

5) макроконсументи, або фаготрофи (від грецьк. fagos – той, що пожирає), – гетеротрофні організми, головним чином тварини, які поїдають інші організми або частинки органічної речовини;

6) мікроконсументи, сапрофіти (від грецьк. sapro – розкладати), або осмотрофи (від грецьк. osmo – проходити через мембрану) – гетеротрофні організми, переважно бактерії і гриби, які розкладають складові сполуки мертвої протоплазми, поглинають деякі продукти розкладу і вивільнюють неорганічні поживні речовини, придатні для використання продуцентами, а також органічні речовини, здатні служити джерелом енергії, інгібіторами чи стимуляторами для інших біотичних компонентів екосистеми. Перші три групи – неживі абіотичні компоненти, решта ж становить біомасу (живу масу).

Враховуючи складність екосистеми, Ю. Одум пропонує її функціональний аналіз у шести основних напрямах:

1) потоки енергії;

2) кормові ланцюги;

3) структура просторово-часового різноманіття;

4) кругообіги поживних елементів (біохімічні кругообіги) ;

5) розвиток і еволюція;

6) управління (кібернетика).

Зрозуміло, що структура популяції чи біоценозу є одночасно й структурою біогеоценозу.

Наприклад, біогеоценоз має свою просторову структуру як горизонтальну так і вертикальну. Як перша, так і друга просторові структури значною мірою зумовлені абіотичними факторами, якими біоценологія (синекологія) спеціально не займається. Наявність всередині виділеного фітоценозу окремих парцел (наприклад, у смеречині, березових, верби козячої чи кислиці) свідчить про присутність тут едафічних (западина чи горбочок, родюча чи безплідна ділянка ґрунту) та кліматичних (добре інсольоване вікно галявини) факторів. Едафічний фактор відіграє суттєву роль у формуванні підземної, а кліматичний (інсоляція) – наземної структур біогеоценозу.

  

Рис. 1. Ієрархічна структура екосистем.