Понятие экосистемы

Термин “экосистема” впервые был предложен английским экологом

А. Тенсли в 1935 году. Но само представление об экосистеме возникло значительно раньше. Упоминание, о единстве организмов и среды, есть в самых ранних работах. Прежде, чем дать определение экосистемы, приведем понятие самого слова “система”.

Система – это реальный или мыслимый объект, целостные свойства которого, могут быть представлены как результат взаимодействия слагающих его частей. Основные свойства системы – это единство, целостность и взаимосвязи между ее компонентами.

Экосистема – совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи. Экосистема – это широкое понятие: луг, лес, река, океан, ствол гниющего дерева, биологические пруды очистки сточных вод.

Одним из видов экосистемы является биогеоценоз – это сугубо наземная экосистема, т.е. природная экосистема на поверхности Земли (река, луг, лес и т.д.). Любой биогеоценоз является экосистемой, но не всякая экосистема может являться биогеоценозом.

Биогеоценоз (в дальнейшем будем называть экосистема) состоит из экотопа и биоценоза. Экотоп – это совокупность абиотических факторов (почва, вода, атмосфера, климат и др.). Биоценоз – совокупность живых организмов (растительность, животные, микроорганизмы).

Главное свойство экосистемы – взаимосвязь и взаимозависимость всех ее компонентов. Стрелки на схеме показывают эту взаимосвязь.

Рассмотрим на примере лесной экосистемы взаимосвязь составляющих ее компонентов.

От климата зависит водный, воздушный, температурный режимы почв, тип растительности, темпы создания органического вещества, активность микроорганизмов.

Почва оказывает влияние на климат; в атмосферу из почвы выделяется углекислый газ, азот, соединения серы, метан, сероводород и другие газы.

Растительность из почвы берет воду, биогенные вещества, гумус; из атмосферы – углекислый газ, солнечную энергию, выделяет в атмосферу кислород, а после ее отмирания в почву поступает детрит.

Растительность является питанием для животных; почва – местообитанием; продукты жизнедеятельности животных поступают в почву, почвенные микроорганизмы перерабатывают их до исходных углекислого газа, воды, гумуса и других минеральных соединений.

Экосистема – это целостная, функционирующая, саморегулирующаяся система.

Для специалиста существует не природа, а экосистема, человек вырубает не лес, а экосистему, выбрасывает отходы не в окружающую среду, а в экосистемы.

На первый взгляд может показаться, что между разными экосистемами нет связи, например между лугом, лесом и прудом. Но если внимательно посмотреть, можно отметить следующее: поверхностным стоком осадков с соседнего луга в пруд вымываются частички почв, гумус, отмершая растительность; осенью часть опавших листьев из леса ветром переносится в пруд; где она разлагается и является пищей для некоторых водных организмов. В пруду живут личинки насекомых, но взрослые особи покидают водную среду и поселяются на лугу или в лесу.

Крупные наземные экосистемы называют биомами (тундра, тайга, дождевые тропические леса, саванны и др.). Каждый биом состоит из множества экосистем, связанных между собой.

Глобальная экосистема Земли – биосфера.

БИОСИСТЕМА — система, состоящая из однотипного живого вещества: макромолекулы, клеточные структуры, сами клетки, ткани, органы, их системы, индивид, особь.

Биосистема есть частный вид наиболее сложных систем, построенных на основе белковых соединений. Поэтому системный подход в экологии очень популярен.

Биосистема имеет несколько уровней организации: первый — гены и определяемые ими генетические системы; второй — клетки и составляемые ими клеточные системы; следующий уровень — органы и системы органов; затем — организмы и системы организмов, популяции и популяционные системы, сообщества и экосистемы.

Биосистемы - это биологические системы, в которых биотические компоненты разных уровней организации (от генов до сообществ) упорядоченно взаимодействуют с абиотическими компонентами (энергией и веществом), составляя единое целое с окружающей физической средой. Биосистемы разных уровней изучаются различными дисциплинами: гены - генетикой, клетки -цитологией, органы - физиологией, организмы - ихтиологией, микробиологией, орнитологией, антропологией и др.

Полагают, что в биосистеме в отличие от технических систем, избыточность функционирующих элементов достигается не только простым увеличением совокупности мало надежных элементов, но также их поочередным функционированием. При высокой нагрузке на систему в активное состояние переходит дополнительное количество " отдыхающих” элементов, поэтому задача резервирования в физиологическом смысле состоит не в том, чтобы поддерживать высокий уровень функционирования системы при перегрузках, а в том, чтобы обеспечить ее элементам режим, исключающий их необратимое нарушение.

Каждый уровень биосистемы характеризуется собственными, только ему присущими свойствами, а кроме того, обладает суммой свойств входящих в него подсистем-комповевтов. Извеотный принцип весводамости свойств целого к сумме свойств его частей следует хорошо помнить при изучении экологии.

Экология изучает биосистемы, включающие жизнь на уровне выше организмов. Биосистемы, являющиеся объектом изучения экологов, были названы экосистемами (А.Тэнсли, 1935 г.); иногда их называют биогеноценозом (В.Н.Сукачев, 1945 г.). Экосистема - одно из фундаментальных понятий в экологии. Как известно, в широком смысле под системой обычно понимается совокупность элементов, находящихся в определенных отношениях и связях друг с другом, в результате которых образуется целостность и единство совокупности.

Взаимоотношения в биосистеме макроорганизм— микроорганизм характеризуются взаимной адаптацией и совершенствованием системы паразитизма.

Нарушения гомеостаза в биосистемах, возможные причины и следствия.

Важнейшим фактором обеспечения надежности биосистемы является ее структурная и функциональная гетерогенность. Это общее положение, которое сейчас уже не требует специального доказательства. Вполне вероятно, что существуют специальные механизмы поддержания гетерогенности биосистем. Гетерогенность - результат изменчивости (лабильности) клеток и организмов. Одной из причин клеточной гетерогенности является неоднозначность матричных процессов (репликации, транскрипции, трансляции), которые могут осуществляться поливариантно, т.е. несколькими способами (Инге-Вечтомов, 1977). Вследствие гетерогенности молекул матричной РНК и последующей поливариантной трансляции возникает полиморфизм белков. Это важный фактор при молекулярном отборе в процессах самосборки клеточных структур.

Правило эквивалентности в развитии биосистем: биосистемы способны достигнуть конечного (финального) состояния (фазы) развития независимо от степени нарушения начальных условий своего развития.

Спектр уравнений организации жизни (уровни биосистемы)

Организм человека — открытая для окружающей среды биосистема, важнейшей стратегической задачей которой является сохранение гомеостаза, что связано с нормальным функциональным состоянием его распознающих систем. В отношении биологических факторов такой системой служит система иммунитета. Снижение иммунологической реактивности организма вследствие воздействия деформированной среды обитания, а также общей реактивности способствует возникновению гнойно-воспалительных процессов, вызываемых условно-патогенными микробами, возможности сенсибилизации организма, формирования банка плазмид, мутагенного воздействия и др.

Вместе с тем популяция обладает и чертами сходства с организмом как биосистемой, так как имеет определенную структуру, целостность, генетическую программу самовоспроизведения, способность к авторегуляции и адаптации, свое коллективное материально-энергетическое хозяйство. Популяции являются реальными единицами биомониторинга, эксплуатации и охраны природных экосистем. Взаимодействие людей с видами организмов, находящихся в среде, в природном окружении или под хозяйственным контролем человека, опосредуется, как правило, через популяции. Это могут быть штаммы болезнетворных или полезных микроорганизмов, сорта возделываемых растений, породы разводимых животных, естественные популяции промысловых рыб и т.п. Не менее важно и то, что многие закономерности популяционной экологии относятся к популяциям человека.

Биотическая среда экосистемы представляет собой иерархически организованные биосистемы, сохраняющие себя и развивающиеся в направлении достижения динамического равновесия. В этом смысле болезни можно рассматривать как фактор, приводящий систему в равновесие. Биотичеокая часть любой экосистемы состоит из трех основных функциональных звеньев: земельные растения в процессе фотосинтеза создают из неорганических веществ первичную продукцию; растительная масса служит пищей для животных; бактерии, грибы - с а профи ты разлагают мертвые органические остатки до простейших неорганических веществ и возвращают их в абиотическую среду.

Практически все закономерности, характерные для живого, имеют адаптивное значение. Биосистемы вынуждены приспосабливаться к непрерывно изменяющимся условиям жизни. Эти изменения имеют разную шкалу времени — от эволюционной до сиюминутной. В вечно меняющейся среде жизни каждый вид организмов по-своему адаптирован. Это выражается правилом экологической индивидуальности: каждый вид специфичен по экологическим возможностям адаптации, двух идентичных видов не существует. Правило было сформулировано Л. Г. Раменским в 1924 г. Оно — прямое следствие и вместе с тем причина генетического разнообразия. По сути дела, и каждая особь эколого-генетически специфична и индивидуальна. Разница лишь в количественных показателях.

Сохранение видового богатства орнитоценозов необходимо для функционирования всей биосистемы города и реализации возможностей использования методов биоиндикации. Стихийное освоение и преобразование водоемов должны смениться научно обоснованной и планомерной, включенной в градостроительные планы реконструкцией естественных участков наряду с формированием полуестественных природных комплексов в урбанизированных ландшафтах.

Это примеры ретюпулящюнной защиты растительных систем, которая основана на разной устойчивости ее элементов. Надежность биосистемы в этих случаях достигается за счет активации одних (новых) элементов после выхода из строя других.

Все перечисленные закономерности саморегуляции ценозов обобщаются в виде принципа стабильности: любая относительно замкнутая биосистема с проходящим через нее потоком энергии в ходе саморегуляции развивается в сторону устойчивого состояния. Этот принцип характерен не только для ценозов нижнего уровня иерархии, но и для биосферы в целом. Об этом будет упомянуто в разд. 3.10. Еще раз мы кратко вернемся к принципу стабильности в конце разд. 3.8.3. Тут важно то, что ценоз стремится к нормальной «энергетической проводимости» с помощью механизмов, обобщенно сформулированных в правилах (принципах) экологического дублирования, эквивалентности, подвижного равновесия, продукционной оптимизации и, вероятно, других, еще не открытых исследователями.

Живые организмы и их неживое (абиотическое) окружение неразделимо связаны друг с другом и находятся в постоянном взаимодействии. Любая единица (биосистема), включающая все совместно функционирующие организмы (биотическое сообщество) на данном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями, представляет собой экологическую систему, или экосистему.