Саморегуляция в экосистемах. биотические факторы : farmf

Что такое экосистема и из чего она состоит

Экосистема является одним из самых главных понятий в экологии как науке. Экосистема — биологическая конструкция, составленная из совокупности живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), включает систему связей, которая осуществляет обмен веществ, а также энергии между живыми существами.

Для экосистемы «пруд» характерными особенностями могут быть6

донные отложения специфического состава;
физические параметры (процент прозрачности воды, а также сезонные показатели температуры воды);
химический состав пруда (концентрация в воде растворенных газов, ионный состав);
специфические показатели биологической продуктивности;
определенные условия конкретного водоема;
а также трофический статус данного водоема.

Посмотрите на картинку экосистемы пруд:

Другим примером экосистемы может являться лиственный лес на территории средней полосы Российской Федерации со специфическим составом подстилки леса, характерной только для данного вида леса почвой, стабильным растительным сообществом, а также со строгими показателями определенного микроклимата (в этот показатель включаются процент влажности, колебания температуры, процент освещенности), с соответственным для данной среды комплексом живых организмов.

Одним из важных аспектов, который позволяет определять виды, а также границы определенных экосистем является трофическая структура сообщества, соответствие производителей биоматериала с потребителями этого биоматериала и разрушителями биоматериала. Также одним из важных показателей является коэффициент продуктивности, обмена веществ, а также энергии.

Рассмотрим концепцию экосистемы.

Из этого выходит, что не каждая биологическая система может быть названа экосистемой (например, экосистемой не являются трухлявый пень и аквариум). Эти системы — пень и аквариум — не характеризуются достаточной степенью самодостаточности, саморегуляции. В случае прекращения регулирования условий и поддержки характеристик на едином уровне, эти системы достаточно скоро разрушатся.

В прямом виде потоки солнечной энергии проявляются в фотосинтезе, а в косвенном виде разложением органических веществ. Исключением является только экосистемы, которые находятся на глубине (так называемые «черные» и «белые» курильщики). Для них основным источником энергии является внутреннее земное тепло, а также энергия от химических реакций.

В экосистеме у каждого живого организма есть свое место и своя роль

Однако важно помнить, что экосистемы легко могут разрушиться из-за каких-нибудь чрезвычайных происшествий (например, наводнения, пожары, извержения вулканов, ураганы). Человек своей деятельностью также мешает развитию систем и иногда может их даже разрушить

Пределы устойчивости экосистем

Система с высокой резидентной устойчивостью способна воспринимать существенные воздействия, не изменяя существенно личную структуру, то есть почти не выходя за границы равновесного состояния. Поэтому соображение упругой неизменности для них не назначено (если система не вылезала за границы равновесия, то можно говорить о возврате в равновесное состояние после снятия воздействия).

Если наружное воздействие превосходит установленные критические значения, то подобная система обычно рушится. Предельное значение внешних влияний, которые система способна вынести без разрушения, отвечают запасу жесткости. Когда сообщают о высокой резидентной стабильности, то имеют в виду, собственно, высокий запас жесткости предоставленной системы. Это несколько отличается от соображения высокой стабильности, так как тут, в первую очередь, интересно постоянство структуры.

Тундра, в частности, обладает высокой устойчивостью, но она очень уязвима, у нее маленький запас жесткости, то есть небольшая резидентная стабильность. Экосистему тундры чрезвычайно легко разломать. Достаточно проезжать вездеходу. Колеи, какие он оставляет за собой, сберегаются десятилетиями. Подобные экосистемы можно наименовать хрупкими.

Системы с маленькой резидентной устойчивостью для естественного существования обязаны обладать высокой упругой стабильностью. Они более чувствительны к наружным возмущениям, под воздействием которых они как бы «прогибаются», до некоторой степени деформируя личную структуру, но после смещения или смягчения внешних влияний быстро возвращаются в отправное равновесное состояние. При превышении порога подобная система теряет стабильность, то есть выходит из состояния равновесия.

Диапазон влияний, которые может вынести система, отвечает запасу упругости. Таким образом, уровень упругой стабильности можно оценить как упругостью, устанавливающей степень сопротивления наружному воздействию и стремительность возврата в отправное состояние после освобождения от воздействия, так и резервом упругости.

Замечание 2

В отличие от упругих систем, пластичная система после снятия наружного воздействия не возвращается в исходное состояние, а приходит к какому-то иному равновесному состоянию. Так, в соответствии с точкой зрения оппонентов теории моноклимакса, для экосистемы характерно не одно, а несколько состояний равновесий (климакса). Таким образом, для пластичной экосистемы характерна маленькая упругая и маленькая резидентная устойчивость.

Свойства экосистемы

Основные свойства экосистем – это способность реализовывать круговорот вещества, противостояние наружным влияниям, производство биологических продукций.

Часто выделяют:

микроэкосистемы (небольшой водоем), которые могут существовать, пока в них наличествуют живые организмы, которые способны выполнять круговорот вещества;
мезоэкосистемы (река);
макроэкосистемы (океан);
а также биосферу — глобальная экосистема.

Более значительные экосистемы при этом содержат в себе экосистемы младшего ранга. Экосистемы или биогеоценозы обычно состоят из нескольких блоков (чаще двух). Первые блоки, «биоценозы», включают в себя взаимосвязанные организмы различных видов, вторые блоки, «биотопы», или «экотоны», – среду обитания. Каждые биоценозы включают в себя массу видов, но показанных не отдельными индивидуумами, а популяциями, порой их частями.

Популяции – это обособленные части вида, занимающего какое-то установленное пространство и способные к саморегулированию, поддерживанию наилучшей численности индивидуумов вида. В экологии довольно часто употребляют также термин «сообщество», содержание которого неоднозначно. Под ним подразумевают совокупности взаимосвязанных организмов всевозможных видов, а также похожую совокупность только растительных (фитоценоз, растительное сообщество), животных организмов или микроорганизмов (микробоценоз).

Самых главных из них можно выделить:

устойчивость;
саморегуляция;
самовоспроизведение;
целостность;
смена одной на другую;
эмерджентные свойства.

Саморегуляция — основное свойство экосистем, которое означает самостоятельное правление жизнью внутри всякого биогеоценоза. То есть группы организмов, которые находятся в близкой взаимосвязи с другими оживленными созданиями, а также факторами наружной среды, оказывают прямое воздействие в целом на всю структуру. Собственно их жизнедеятельность может воздействовать на саморегуляцию и устойчивость экосистемы.

Например, если сообщать о хищнике, то он поедает травоядных животных данного вида прямо до тех пор, пока количество их не сократится. Затем поедание обрывается, и хищники переключаются на прочий источник питания (то есть прочий вид травоядных существ).

Замечание 1

Таким образом, получается, что целиком вид не истребляется, он сохранится в спокойствии до возрождения нужного показателя численности. В границах экосистем не может совершиться естественного пропадания вида в следствии поедания другими индивидуумами. В этом и содержится саморегуляция. То есть растения, животные, микроорганизмы, грибы взаимно проверяют друг друга, несмотря на то, что обнаруживаются пищей.

Устойчивость и саморегуляция экосистемы

Любой биогеоценоз представляет собой чрезвычайно сложную
динамическую систему, состоящую из многих сотен и даже тысяч
видов живых организмов, объединенных трофическими, топическими
и другими связями. Так, по данным российского ученого В. В.
Мазинга (1976), только в состав двух популяций березы
(повислой и пушистой) входит 91 вид паразитических и 35 видов
микоризообразующих грибов, 46 видов эпифитных лишайников, 7
видов эпифитных печеночников и 16 видов эпифитных лиственных
мхов, 8 видов клещей, 574 вида насекомых, 8 видов птиц, 9
видов млекопитающих — всего 795 видов, не считая бактерий,
простейших, водорослей, актиномицетов. Такие сложные природные
экосистемы имеют собственные законы сложения, функционирования
и развития. Длительность существования каждой экосистемы
поддерживается прежде всего за счет общего круговорота
веществ, осуществляемого продуцентами, консументами и
редуцентами, и постоянного притока солнечной энергии. Именно
эти два глобальных явления обеспечивают ей высокую способность
противостоять воздействию постоянно меняющихся условий внешней
среды.

Устойчивость экосистемы обеспечивается также биологическим
разнообразием и сложностью трофических связей организмов,
входящих в ее состав.

В богатых видами экосистемах у консументов есть возможность
избирать разные виды пищевых объектов и в первую очередь —
наиболее массовые. Если потребляемый пищевой объект становится
редким, то консумент переключается на питание другим видом, а
первый, освобожденный от пресса выедания, постепенно будет
восстанавливать свою численность. Благодаря такому
переключению поддерживается динамическое равновесие между
пищевыми ресурсами и их потребителями и обеспечивается
возможность их длительного сосуществования.

Таким образом, процесс саморегуляции экосистемы проявляется в
том, что все разнообразие ее населения существует совместно,
не уничтожая полностью друг друга, а лишь ограничивая
численность особей каждого вида определенного уровня.
Например, в лесу листьями древесных растений питаются
несколько сотен видов насекомых, но в оптимальных условиях
каждый вид представлен незначительным количеством особей,
поэтому их общая деятельность не наносит существенного вреда
лесным деревьям. Однако насекомые отличаются большой
плодовитостью, и если бы отсутствовали ограничивающие факторы
(неблагоприятные погодные условия, уничтожение хищными и
паразитическими насекомыми, птицами, болезнетворными
микроорганизмами и т. п.), то численность любого вида
насекомых возросла бы очень быстро и привела бы к разрушению
экосистемы. Следовательно, взаимоотношения типа хищник—жертва,
паразит—хозяин взаимно сглаживают всплеск численности и
стабилизируют экосистему.

Важным фактором стабилизации экосистемы является генетическое
разнообразие особей популяций. Изменение условий внешней среды
может вызвать гибель большинства особей популяции,
адаптированных к прежним условиям существования. Поэтому чем
более генетически разнородной является та или иная популяция
экосистемы, тем больший шанс у нее иметь организмы с аллелями,
ответственными за появление признаков и свойств, позволяющих
выжить и размножаться в новых условиях и восстановить прежнюю
численность популяции. Время, необходимое для восстановления
популяции, будет зависеть от скорости размножения особей, так
как изменение признаков происходит только путем отбора в
каждом поколении.

Стабильность экосистемы зависит также от степени колебаний
условий внешней среды. В тропиках и субтропиках стабильны и
оптимальны для многих видов температурные условия, влажность,
освещенность. Поэтому тропические экосистемы с высоким
биологическим разнообразием входящих в них организмов
отличаются высокой устойчивостью. И, напротив, тундровые
экосистемы менее устойчивы. Им свойственны резкие колебания
численности популяций разных видов.

Способность экосистемы к саморегуляции и поддержанию
динамического равновесия называется гомеостазам.
Гомеостаз экосистемы выражается в способности сохранять
постоянство видового состава и численности особей,
поддерживать относительную стабильность и целостность
генетической структуры в меняющихся условиях внешней среды.
Нарушение природных цепей питания под воздействием
антропогенного фактора, непродуманное вмешательство человека в
экосистемы могут привести к неконтролируемому росту или
снижению численности особей определенных популяций и к
нарушению природных экосистем.

Устойчивость экосистем. сукцессии

Важнейшим свойством экологических систем является их устойчивость, т. е. постоянство, которое поддерживается цепями питания. Именно благодаря постоянству цепей питания в природе поддерживается экологический гомеостаз.

При этом важно заметить, что устойчивость экологических систем имеет исторический характер, а регуляция тех немногих экологических систем, в которых человек не имеет значения, обеспечивается такими факторами, как конкуренция, миграция, хищничество, недостаток корма или питательных веществ в почве, болезни, температура и другими естественными факторами. Напротив, в экологических системах, где сообщества людей имеют важное значение, в качестве регулирующих механизмов действуют не только механизмы, названные выше, но и механизмы, действующие непосредственно в человеческом обществе

Напротив, в экологических системах, где сообщества людей имеют важное значение, в качестве регулирующих механизмов действуют не только механизмы, названные выше, но и механизмы, действующие непосредственно в человеческом обществе. Благодаря этим и другим экономическим, социальным и политическим механизмам каждая социальная группа сохраняет свой рабочий баланс в изменяющихся условиях окружающей среды, что оказывает существеннейшее влияние на устойчивость экологических систем

Благодаря этим и другим экономическим, социальным и политическим механизмам каждая социальная группа сохраняет свой рабочий баланс в изменяющихся условиях окружающей среды, что оказывает существеннейшее влияние на устойчивость экологических систем.

Следовательно, природные и общественные механизмы способны поддерживать экологическое равновесие и, следовательно, поддерживать динамический баланс между видами в экологических системах и между разными экологическими системами, в разных географических зонах.

Наряду с устойчивостью, экологическим системам присуща так называемая экологическая сукцессия, заключающаяся в смене сообществ организмов в ходе исторического развития природы, т. е. в замене одних сообществ растений и животных (их видов) в экосистеме растениями и животными других сообществ (видов).

Прежде всего, процесс экологической сукцессии весьма длителен во времени, поскольку он заключается не в быстрой и внезапной замене одних сообществ другими, а в медленной и нерегулярной замене одних видов животных или растений в сообществах другими видами, но после того, как начался процесс изменения абиотических факторов, т. е. изменяются условия абиотической среды.

Условия, создаваемые организмами видов, начинающих сук-цессий первыми, благоприятствуют затем для внедрения в экологическую систему организмов других видов, которые, как правило, оказываются лучше адаптированными к изменившимся условиям. Благодаря этому они быстрее заменяют организмы, ставшие менее приспособленными к новым условиям существования.

Таким образом, развитие новых экологических систем (в результате сукцессии) начинается с замены первичного сообщества растений и животных более совершенными сообществами растений и животных.

Сообщества организмов, которые в течение длительного периода существования экологических систем не сменяются на другие сообщества, называют климаксными. Те же сообщества, которые появляются в результате сукцессии, получили название сериальных.

Обычно сукцессии совершаются в течение длительных промежутков времени, составляющих сотни или тысячи лет. Однако если же экологические системы подвергаются внешним воздействиям, то сукцессии происходят быстрее. Можно сказать, что в результате внешних воздействий на экологическую систему нарушается экологическое равновесие, т. е. происходят изменения (нарушения) в природе.

Таким образом, нарушения в природе являются результатом нарушения экологического равновесия, разрушения исторически сложившихся экологических систем.

Вернемся к озеру, избранному в качестве примера экологической системы. Типичным примером сукцессии является подсыхание и загрязнение озера травянистой растительностью, превращение его в болото, а затем в неудобье, загрязненное кустарником.

Несомненно, что наряду со сменой растительности здесь происходит и смена животного мира. Очень иллюстративным, возможно, глобальным примером сукцессии является подсыхание Аральского моря, которое сопровождается появлением на месте бывшего морского дна новых сообществ растений и животных, включая мелких млекопитающих.

Самоочищение экосистем

Определение 4

Самоочищение экосистем — это процесс физико-химической, химической и биологической нейтрализации (обезвреживания) загрязнителей окружающих сред.

Совершается при переноске веществ-ксенобиотиков в низменности и водоемы, а также по трофическим цепям экосистемы, охватывая их минерализацию организмами- т.е. редуцентами. Самоочищения сред зависит, прежде всего, от буферной емкости экосистемы . Интенсивности самоочищения сред зависят от численности ультрафиолетовой суммыактивной температуры среды, радиации, наличия окислителя и др. В южной широте процессы самоочищения сред происходят значительно быстрее, чем в северной, зимой — медлительнее, чем летом.

В доиндустриальные эпохи формирования биосферы самоочищения сред целиком уравновешивало ее загрязнение. Однако впроцессе развития науки и промышленности буферность экосистемы и биосферы в целом интенсивно понизилась вследствие невиданного скапливания в окружающей среде ксенобиотика, губительно действующего на организмы-детоксикаторы (редуценты — нейтрализаторы, ).

В связи с этим появилась необходимость в отчетливом экологическом прогнозировании уровня загрязнения, окружающей среды с учетом ее самоочистительных способностей, в разработке правовых, организационных, технологических мер охраны биосферы и ее компонентов от загрязнений.

Формирование и устойчивость экосистем

Как уже было упомянуто выше, экосистемы формируются с помощью абиотических и биотических факторов. Существуют и «лимитирующие факторы», которые обуславливают особенности экосистемы. В качестве них выступают абиотические свойства (то есть, температура, рельеф и т. д).

Также существуют физические барьеры: такие, как горные хребты, моря, пустыни. Из-за физических барьеров возникает большая разница в одинаковых экосистемах на разных территориях планеты — особенно разница видна в видовом составе.

Рассмотрим типы адаптации:

Морфологические. К ним относятся видоизменения органов. Например: развитие колючек у баобаба, а не листвы.
Физиологические. К ним относятся особенности ферментативного набора в пищеварительном тракте.
Поведенческие. К ним относятся способы обеспечения теплообмена птиц в период сезонных перелетов, также окраска в разные сезоны и в разных ситуациях (хамелеоны).

Биогеохимические круговороты обуславливают возможности саморегуляции природных комплексов.

Рассмотрим примеры, чтобы лучше понять, как работает сукцессия:

С увеличением видового разнообразия в экосистемах появляются более длинные цепи питания, которые формируют большой интенсивный обмен веществ, а значит — обладают намного большей степенью устойчивости из-за возможности саморегуляции (его еще называют гомеостаз).

Почти все природные экологические системы существуют в рамках длительных временных промежутков, обладают относительной стабильностью, для поддержания которой нужно сбалансировать потоки вещества, энергии в процессах круговорота между окружающей средой и организмами. Но, конечно же, нельзя говорить об абсолютной стабильности, потому что ее в природе не существует.

Стабильность состояния природных комплексов относительна, поэтому ее показателем может быть периодически меняющаяся численность популяции различных видов в рамках экосистемы.

Что же такое равновесие для гомеостаза?

Стабильность. Данный фактор показывает, что экологические системы существуют в течение некоторого длинного промежутка времени, они обладают относительной стабильностью в пространстве и времени. Особенностью искусственных экосистем (созданных руками человека) является необходимость поддерживать равновесие в данных природных комплексах, то есть управлять различными процессами их функционирования. Пример: замена ила в муниципальных, региональных, производственных водоочистных сооружениях — в них размножаются бактериальные колонии, которые пожирают, сорбируют и разлагают загрязняющие вещества в очистных водах.
Подвижность. Этот критерий обуславливает изменчивость различных свойств (например, популяционной численности), а также структуры природных комплексов, то есть совокупности различных видов. Последовательные преобразования в положении равновесия в экологических системах отражаются в замещении видов (например, в процессе сукцессии), которые сопровождаются изменениями в свойствах и структуре пищевой цепочки. Многообразие видов способствует формированию сукцессии, обеспечивает заполненность всего пространства живыми организмами, увеличивает степень замкнутости биогеохимического круговорота в экологической системе.

Таким образом, гомеостатичность является общим свойством для всех экологических систем, зависящим от результативности комплекса механизмов адаптации, действующих как на уровне отдельных видов, так и на уровне природного комплекса в целом.

Гомеостатичность базируется на особенностях возраста и разнообразия видов в экосистемах, поэтому очень сильно варьируется как у различных сообществ, так и в искусственных и естественных экологических системах.

Слайд 10 В качестве главных можно назвать следующие

четыре типа сукцессионных изменений. 1. Состоит в том,

что виды растений и животных в процессе сукцессии непрерывно сменяются.

Изменение видового состава часто определяется соперничеством разных видов за одни и те же пищевые или иные ресурсы; ведь происходящие в ходе сукцессии изменения экосистемы создают благоприятные условия для колонизации сообщества новыми видами. 2. Сукцессионные изменения всегда сопровождаются повышением видового богатства, т. е. разнообразия организмов. 3. Происходит увеличение биомассы органического вещества. Население сообщества как бы уплотняется по мере увеличения видового богатства. Вспомните, каким плотным ковром травы покрывают лесные поляны, каким густым бывает старый лес, как много там видов растений, как тесно они уживаются. 4. Происходит снижение скорости прироста биомассы сообщества (продукции сообщества) и в увеличении количества энергии, требуемой для поддержания его жизни

Это наиболее важное явление сукцессии. На ранних стадиях первичной сукцессии скорость прироста биомассы растениями высока, но на последующих стадиях она падает

Смена экосистем

Основные свойства экосистем

Чтобы рассмотреть понятия саморегуляции и самоочищения экосистем, для начала необходимо ознакомиться с основными свойствами экосистем.

Определение 1