Экологическая система
Экосистема или экологическая система (от греч. óikos — жилище, местопребывание и система), природный комплекс (биокосная система), образованный живыми организмами (биоценоз) и средой их обитания (косной, например атмосфера, или биокосной — почва, водоём и т. п.), связанными между собой обменом веществ и энергии. Одно из основных понятий экологии, приложимое к объектам разной сложности и размеров. Примеры Экосистем — пруд с обитающими в нём растениями, рыбами, беспозвоночными животными, микроорганизмами, донными отложениями, с характерными для него изменениями температуры, количества растворённого в воде кислорода, состава воды и т. п., с определённой биологической продуктивностью; лес с лесной подстилкой, почвой, микроорганизмами, с населяющими его птицами, травоядными и хищными млекопитающими, с характерным для него распределением температуры и влажности воздуха, света, почвенных вод и др. факторов среды, с присущим ему обменом веществ и энергии. Гниющий пень в лесу, с живущими на нём и в нём организмами и условиями обитания, тоже можно рассматривать как Экосистему
Содержание
Основные сведения
Экологическая система (экосистема) — совокупность популяций различных видов растений, животных и микробов, взаимодействующих между собой и окружающей их средой таким образом, что эта совокупность сохраняется неопределенно долгое время. Примеры экологических систем : луг, лес, озеро, океан. Экосистемы существуют везде — в воде и на земле, в сухих и влажных районах, в холодных и жарких местностях. Они по-разному выглядят, включают различные виды растений и животных. Однако в «поведении» всех экосистем имеются и общие аспекты, связанные с принципиальным сходством энергетических процессов, протекающих в них. Одним из фундаментальных правил, которым подчиняются все экосистемы, является принцип Ле Шателье — Брауна:
при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется.
При изучении экосистем анализируют прежде всего поток энергии и круговорот веществ между соответствующими биотопом и биоценозом. Экосистемный подход учитывает общность организации всех сообществ независимо от местообитания. Это подтверждает сходство структуры и функционирования наземной и водной экосистем.
По определению В. Н. Сукачева, биогеоценоз (от греч. bios — жизнь, ge — Земля, ценоз — общество) — это совокупность однородных природных элементов (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий) на определенном участке поверхности Земли. Контур биогеоценоза устанавливается по границе растительного сообщества (фитоценоза).
Термины «экологическая система» и «биогеоценоз» не являются синонимами. Экосистема — это любая совокупность организмов и среды их обитания, в том числе, например, горшок с цветком, муравейник, аквариум, болото, пилотируемый космический корабль. У перечисленных систем отсутствует ряд признаков из определения Сукачева, и в первую очередь элемент «гео» — Земля. Биоценозы — это только природные образования. Однако биоценоз в полной мере может рассматриваться как экосистема. Таким образом, понятие «экосистема» шире и полностью охватывает понятие «биогеоценоз», или «биогеоценоз» — это частный случай «экосистемы».
Самая крупная природная экосистема на Земле — это биосфера. Граница между крупной экосистемой и биосферой столь же условна, как и между многими понятиями в экологии. Различие преимущественно состоит в такой характеристике биосферы, как глобальность и большая условная замкнутость(при термодинамической открытости). Прочие же экосистемы Земли вещественно практически не замкнуты.
Биомы — наиболее крупные наземные экосистемы, соответствующие основным климатическим зонам Земли(пустынные, травянистые, лесные); водные экосистемы — основные экосистемы, существующие в водной сфере (гидросфере). Иногда в литературе встречается близкая, но менее четкая классификация, прежде всего выделяющая влажные тропические леса, саванны, пустыни, степи, леса умеренного пояса, хвойные(тайгу), тундру.
Каждый биом включает в себя ряд меньших по размеру, связанных между собой экосистем. Одни из них могут быть очень крупными, площадью в миллионы квадратных километров, другие — мелкими, например, небольшой лесок. Важно то, что любую экосистему можно определить как более или менее специфическую группировку растений и животных, взаимодействующих друг с другом и со средой. Так, легко выделить множество типов водных экосистем (ручьи, реки, озера, пруды, болота и др.) или подразделить океаны на отдельные экосистемы (коралловые рифы, континентальный шельф, абиссаль). Четкие границы между экосистемами встречаются редко, обычно между ними находится зона со своими особенностями.
На границе двух экосистем, например, на опушке леса, одновременно встречаются представители лесных и луговых видов. Контрастность среды, а потому большее обилие экологических возможностей порождает «сгущение жизни», называемое правилом краевого эффекта или правилом экотона. Хорошо известно, что на опушках леса жизнь богаче, а в его глубине, как и в середине луга, она менее разнообразна. В природе все существует только совместно, а два рядом расположенных образования могут плавно переходить друг в друга.
Структура экосистем
Любую экосистему прежде всего можно разделить на совокупность организмов и совокупность неживых (абиотических) факторов окружающей природной среды.
В свою очередь экотоп состоит из климата во всех многооразных его проявлениях и геологической среды(почв и грунтов), называемой эдафотопом. Эдафотоп — это то, откуда биоценоз черпает средства для существования и куда выделяет продукты жизнедеятельности.
Структура живой части биогеоценоза определсяется трофоэнергетическими связями и отношениями, в соответствии с которыми выделяют три главных функциональных компонента :
комплекс автотрофных организмов-продуцентов, обеспечивающих органическим веществом и, следовательно, энергией остальные организмы (фитоценоз(зеленые растения), а также фото- и хемосинтезирующие бактерии); комплекс гетеротрофных организмов-консументов, живущих за счет питательных веществ, созданных продуцентами; во-первых, это зооценоз (животные), во-вторых, бесхлорофилльные растения; комплекс организмов-редуцентов, разлагающих органические соединения до минерального состояния (микробиоценоз, а также грибы и прочие организмы, питающиеся мертвым органическим веществом).
В качестве наглядной модели экологической системы и ее структуры Ю.Одум предложил использовать космический корабль при длительных путешествиях, например, на планеты Солнечной системы или еще дальше. Покидая Землю, люди должны иметь четко ограниченную закрытую систему, которая обеспечивала бы все их жизненные потребности, а в качестве энергии использовала энергию солнечного излучения. Такой космический корабль должен быть снабжен системами полной регенерации всех жизненно важных абиотических компонентов (факторов), позволяющих их многократное использование. В нем должны осуществляться сбалансированные процессы продуцирования, потребления и разложения организмами или их искуственными заменителями. По сути, такой автономный корабль будет представлять собой микроэкосистему, включающую человека.
Примеры
Участок лесного массива, пруд, гниющий пень, особь, заселенная микробами или гельминтами — являются экосистемами. Понятие экосистемы, таким образом, применимо к любой совокупности живых организмов и их местообитания.
Источник
Что такое Экосистема
Экосистема — это система или группа взаимосвязанных элементов, которая образовалась из взаимодействия объединения организмов с окружающей средой. Это сокращённое обозначение от словосочетания «экологическая система».
Экосистема — это любая система или сеть взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, как, например, в бизнесе.
Это слово произошло от сочетания двух греческих слов Οικος (дом/жилище) + Σύστημα (система).
Артур Тенсли (британский ботаник, преподаватель университета и эколог) считается первым, кто использовал это слово в 1930–1935 годах. Он же был одним из первых в мире экологов.
Что именно создаёт экосистему, так это совокупность индивидуальной физико-химической среды (биотопа) с объединением живых организмов (биоценозом). Артур Тенсли представил данную формулировку: биотоп + биоценоз = экосистема.
Экосистема и биогеоценоз
«Экосистема» и «биогеоценоз» — это не синонимы, они лишь близки по значению. Биогеоценоз — экосистема в границах фитоценоза.
Фитоценоз — растительное сообщество, совокупность совместно существующих организмов на одном участке земной поверхности.
Экосистема — это более общая концепция. Любой биогеоценоз — экосистема, но не любая экосистема — биогеоценоз.
Виды экосистем
Состав экосистем зависит от нескольких факторов, таких как геологические условия, климат, влияние человека.
Природные и искусственные
По степени вмешательства человека экосистемы делятся на природные и искусственные.
Естественные (природные) экосистемы
Развиваются под воздействием природы, человек может влиять на них, однако несущественно. Примерами таких систем можно назвать: леса (не засаженные человеком), мангровые заросли, коралловые рифы и т. д.
Антропогенные (искусственные) экосистемы
Формируются человеком в процессе его хозяйственной деятельности (например: сельскохозяйственные посевы, лесопосадки, стройка городов, организация ферм устриц).
Автотрофные и гетеротрофные экосистемы
Естественные и искусственные экосистемы могут быть автотрофные и гетеротрофные. Различие в источнике энергии, который по большей части обеспечивает их жизнедеятельность.
Автотрофные экосистемы
Существуют преимущественно на энергетическом самообеспечении. Они делятся на фотоавтотрофные (использующие солнечную энергию за счёт своих продуцентов-фотоавтотрофов) и хемоавтотрофные (потребляющие химическую энергию за счёт продуцентов-хемоавтотрофов).
Большинство экосистем являются фотоавтотрофными. Например, человек вносит энергию в сельскохозяйственные экосистемы (они тоже являются фотоавтотрофными), которая именуется антропогенной (горючее для тракторов или удобрения и т. п.), но её роль не имеет большого значения по сравнению с применённой экосистемой солнечной энергии.
Развитие естественных хемоавтотрофных экосистем происходит в подземных водах. Человек производит антропогенные хемоавтотрофные экосистемы из микроорганизмов (грибов и бактерий).
Гетеротрофные экосистемы
Потребляют преимущественно химическую энергию, которую приобретают от органических веществ либо от энергетических устройств, произведённых людьми.
Экосистема океанических глубин, куда не доходит солнечный свет, является примером естественной гетеротрофной экосистемы.
Микроорганизмы и животные, которые находятся в ней, живут и питаются “питательным дождём” (остатки организмов и трупы, которые упали на дно, из озарённой солнцем автотрофной океанической экосистемы).
Антропогенные гетеротрофные экосистемы бывают очень разные. Например, промышленные предприятия или города. По линиям электропередач в них поступает энергия, по нефтепроводам и газопроводам, в цистернах, вагонах.
Подобные экосистемы извлекают долю энергии благодаря зелёным растениям, но она несущественна по сравнению с энергией, приобретённой извне.
К таким экосистемам также принадлежат:
- биологические очистные сооружения, где микроорганизмы разлагают органические вещества, в частности установки по сбраживанию навоза;
- фабрики по вермикультивированию (фабрики по разведению дождевых червей), которые трансформируют органическое вещество, такое как солома, опилки или навоз;
- плантации шампиньонов (для выживания им необходим органический субстрат и тепло);
- рыборазводные пруды и другие.
Наземные экосистемы и водные
Абсолютно все экосистемы на Земле делятся на наземные экосистемы и водные.
Наземные экосистемы
Наземные экосистемы также именуются биомами. Это главные экосистемы суши: пустыни, степи, леса и т. д. Наиболее значительные отличия между этими экосистемами на различных территориях мира формулируются разнообразными факторами: соотношениями средней температуры, типом почв, среднегодовым количеством осадков.
Взаимодействие этих разнообразных факторов служит причиной к формированию умеренных, тропических и полярных вариантов лесных, пустынных и травянистых экосистем.
Водные экосистемы
Это экосистемы гидросферы. Эти экосистемы отличаются между собой средней температурой воды, количеством растворённых питательных веществ (солёностью воды) и глубиной проникновения солнечных лучей.
Примеры водных экосистем: реки, озёра, коралловые рифы, болота, степные блюдца и др.
Экотон
Это переходящая территория между двумя соприкасающимися экосистемами. Зачастую и большие, и малые экосистемы не имеют точных рубежей.
Таким образом, экотон содержит виды деструкторов, растений и животных из обеих соседних экосистем. Нередко происходит, что в экотоне встречаются виды живых организмов, которые не существуют в соседних экосистемах.
В итоге экотон имеет в своём наличии большее разнообразие организмов, чем в соприкасающихся территориях.
Макроэкосистема, мезоэкосистема, микроэкосистема
Экологические системы также различаются по своему размеру.
Макроэкосистема
Система огромного размера, которая состоит из множества небольших систем. Примерами таких систем будут: океан, пустыня или субтропический лес. Все они населены тысячами видов животных, растений и бактерий, нужных для её исправного функционирования.
Мезоэкосистема
Этот вид экосистем уже не очень большого размера. Примерами таковых будут: система отдельно рассматриваемого пруда или лесного массива, либо же система одной изолированной поляны.
Микроэкосистема
Микроэкосистема — это система малых размеров. Она работает в миниатюре и имитирует функционирование других экосистем большого размера. Примерами таких систем будут: сад в бутылке, аквариум, лужа (она населена множеством микроорганизмов), труп животного и т. д..
Структура экосистемы
Структура экосистемы — это в основном описание организмов и физических особенностей среды, включая количество и распределение питательных веществ в определённой среде обитания.
Также предоставляется информация о диапазоне климатических условий, преобладающих на данной территории.
Все экосистемы состоят из следующих основных компонентов:
- абиотические компоненты;
- биотические компоненты.
Абиотические компоненты
Экологические отношения проявляются в физико-химической среде. Абиотический компонент экосистемы включает основные неорганические элементы и соединения.
Климатические факторы
Включает в себя такие физические факторы, как влажность, воздушные потоки и солнечная радиация. Лучистая энергия солнца является единственным существенным источником энергии для любой экосистемы.
Эдафические (почвенные) факторы
Почвенные факторы включают в себя рельеф, кислотность почвы, минерализацию и т. д.
Биотические компоненты
Биотические компоненты включают в себя все живые организмы, присутствующие в экологической системе.
С точки зрения питания биотические компоненты могут быть разделены на три основные группы:
- автотрофы (продуценты);
- гетеротрофы (консументы);
- сапротрофы (редуценты).
Автотрофы (продуценты)
Это все зелёные растения, которые используют солнечную энергию и производят еду (органические вещества) из неорганических веществ. Это синезелёные водоросли и некоторые микроорганизмы.
Гетеротрофы (консументы)
Включают тех, которые питаются готовыми органическими веществами, берут пищу от автотрофов: всеядные, травоядные и хищники.
Сапротрофы (редуценты)
Для питания они уничтожают мёртвые органические соединения растений (продуцентов) и животных (консументов), выбрасывают в окружающую среду простые, органические и неорганические вещества, которые были произведены как побочный продукт их метаболизма. Это бактерии и грибы.
Замкнутая экосистема
Это экосистема, в которой не ожидается какой-либо обмен веществ со средой за её пределами.
Опыт с садом в бутылке Дэвида Латимера
Британец Дэвид Латимер провёл великолепный опыт с садом в бутылке. Он посадил его в 1960 году и не поливал с 1972 года, но садик продолжает процветать в своей замкнутой экосистеме.
Посаженные им внутрь выносливые традесканции выросли, заполнив почти 40-литровый контейнер, выжив на всём переработанном: воздухе, питательных веществах и воде.
Дэвид Латимер сказал, что бутыль стоит в 1,5-2 метрах от окна, чтобы растение получало немного солнца. Оно растёт в сторону солнечного света, поэтому его нужно периодически разворачивать, чтобы оно росло равномерно.
Также Дэвид Латимер сказал, что он никогда не подрезал растение, но выглядит так, будто оно выросло до пределов бутылки.
Как работают сады в бутылках
Сады в закрытых бутылках действуют, потому что их герметичное пространство создаёт абсолютно самостоятельную экосистему, в которой растения могут выжить, используя фотосинтез для утилизации питательных веществ.
Единственное, что необходимо из внешней среды — солнечный свет, поскольку он обеспечивает его энергией, необходимой для создания собственной пищи, а значит и продолжения роста.
Свет, который попадает на листья растения, поглощается белками, содержащими хлорофиллы (зелёный пигмент).Часть этой световой энергии хранится в форме аденозинтрифосфата (АТФ), молекулы, которая хранит энергию.
Остальная часть используется для удаления электронов из воды, поглощаемой из почвы через корни растения. Эти электроны затем используются в химических реакциях, которые превращают углекислый газ в углеводы, высвобождая кислород.
Этот процесс фотосинтеза является противоположным клеточному дыханию, которое происходит в других организмах (включая людей), где углеводы, содержащие энергию, реагируют с кислородом для получения углекислого газа, воды и высвобождения химической энергии.
Но экосистема также использует клеточное дыхание для разрушения разлагающегося материала, которое оставляет растение.
В этой части процесса бактерии внутри почвы (сада в бутылке) поглощают отходы кислорода растения и выделяют углекислый газ, который растущее растение может повторно использовать.
И, конечно, ночью, когда нет солнечного света для фотосинтеза, растение также будет использовать клеточное дыхание, чтобы поддерживать себя в живых, разбивая сохранённые питательные вещества.
Поскольку сад в бутылке является закрытой средой, это означает, что его водный цикл также является автономным процессом.
Вода в бутылке поглощается корнями растения, высвобождается в воздух во время транспирации, конденсируется в почвосмеси, где цикл начинается снова.
Биосфера-2
Ещё в конце 1980-х годов был начат проект «Биосфера-2». Учёные задались вопросом, смогут ли они воспроизвести экосистемы Земли.
Для этого они построили среду с закрытой системой 12.000 м² в пустыне Сонора, за пределами города Тусон, штат Аризона.
Подразумевается, что Биосфера-1 — Земля, так команда объяснила цифру «2» в названии проекта.
Идея состояла в том, чтобы проверить, смогут ли они воссоздать экосистемы Земли в закрытой среде, чтобы люди могли выжить в космосе в течение длительного времени.
26 сентября 1991 года 8 человек-добровольцев (4 мужчины и 4 женщины) ради эксперимента были оторваны от мира и закрыты в «Биосфере-2».
Они собирались жить внутри этого сооружения на протяжении двух лет, поддерживая контакт с окружающим миром лишь через компьютер.
Однако в самом начале эксперимента одна из «биосферцев» получила травму, из-за чего ей пришлось сразу же покинуть её новый дом.
Потом, спустя около года, оставшиеся жители-добровольцы «Биосферы-2″стали замечать, что количество кислорода почему-то стало резко падать.
И учёным пришлось закачивать кислород из внешней среды, таким образом, конечно, ни о какой чистоте этого эксперимента уже не могло быть и речи.
Следом у них начались проблемы с выращиванием еды чтобы себя прокормить. Начались проблемы сплочённости: маленькая группа разделилась на два лагеря. Опасаясь за жизнь «биосферцев», учёные были вынуждены прекратить эксперимент.
В марте 1994 года была предпринята вторая попытка заселить людей на «Биосферу-2». Эта группа решила некоторые проблемы, возникшие у первой, однако из-за разногласий внутри команды миссия закончилась спустя шесть месяцев.
На данный момент «Биосфера-2» принадлежит Аризонскому университету, который восстановил там свои исследования в 2011 году.
Источник