§ 35. Принципи на организация на екосистемите

Природата е безмилостното спрежение на глаголите „да ям“ и „да бъда изяден“. Уилям Инге

Кои са основните компоненти на екосистемите? Какво представляват хранителните вериги и хранителните мрежи? Каква е трофичната структура на една екосистема?

Урок-лекция

ОСНОВНИ КОМПОНЕНТИ НА ЕКОСИСТЕМАТА. Екосистемите са елементарна функционална единица на живата природа, в която се осъществяват взаимодействия между всички нейни компоненти, протича кръговрат на вещества и енергия. Съставът на екосистемата включва неорганични вещества (вода, въглероден диоксид, азотни съединения и др.), които са включени в кръговрата, и органични съединения (протеини, въглехидрати, мазнини и др.), които свързват биотичните (живи) и абиотичните (неживи или инертни) части от нея. Всяка екосистема се характеризира с определена среда (въздушна, водна, земна), включително климатичния режим и определен набор от параметри на физическата среда (температура, влажност и др.). Според ролята, която играят организмите в екосистемата, те се делят на три групи:

производители - автотрофни организми, предимно зелени растения, които са способни да създават органични вещества от неорганични;
консуматори - хетеротрофни организми, главно животни, които се хранят с други организми или частици от органична материя;
разложителите са хетеротрофни организми, главно бактерии и гъбички, които осигуряват разлагането на органични съединения.

Околната среда и живите организми са свързани помежду си чрез процесите на циркулация на материя и енергия.

Производителите улавят слънчевата светлина и превръщат нейната енергия в енергията на химичните връзки на синтезираните от тях органични съединения. Консуматорите, ядещите производители използват освободенитечрез разделяне на тези химични връзки енергията за изграждане на вашето собствено тяло. Разлагащите се държат по подобен начин, но като източник на храна се използват или мъртви тела, или продукти, отделени по време на жизнената дейност на организмите. В същото време декомпозиторите разграждат сложни органични молекули до прости неорганични съединения - въглероден диоксид, азотни оксиди, вода, амониеви соли и др. В резултат на това те връщат веществата, отстранени от растенията, в околната среда и тези вещества могат да бъдат повторно използвани от производителите. Цикълът се затваря. Трябва да се отбележи, че всички живи същества са разлагащи до известна степен. В процеса на метаболизъм те извличат необходимата им енергия от разграждането на органичните съединения, освобождавайки въглероден диоксид и вода като крайни продукти.

В екосистемите живите компоненти се подреждат във вериги -хранителни илитрофични вериги, в които всяко предишно звено служи за храна на следващото. В основата на трофичната верига са продуценти, които от неорганична материя и светлинна енергия създават живата материя – първичната биомаса. Второто звено се състои от животински фитофаги, които консумират тази първична биомаса - това са консументи от първи ред. Те от своя страна служат за храна на организмите, които изграждат следващото трофично ниво - консументи от втори ред. Следват потребители от трети ред и т. н. Ето пример за проста верига:

И ето пример за по-сложна схема:

Не всички организми, които съставляват различни трофични нива, се ядат, а консуматорите от най-висок порядък (мечки, лъвове, орли и т.н.) изобщо нямат врагове (с изключение на хората, разбира се). Значителна част от организмите умират поради естествена смъртност, от болести,паразити, природни бедствия и т.н. Следователно хранителните вериги на всички нива, като се започне от второто, включват разлагачи, които се хранят с мъртва органична материя.

В естествените екосистеми хранителните вериги не са изолирани една от друга, а са тясно преплетени. Те образуватхранителни мрежи, чийто принцип на формиране е, че всеки производител може да служи като храна не за едно, а за много фитофаги, които от своя страна могат да бъдат изядени от различни видове потребители от втори ред и т.н. (фиг. 49).

Фиг. 49. Хранителна мрежа от херинга

Хранителните мрежи формират гръбнака на екосистемите и смущенията в тях могат да доведат до непредвидими последици. Особено уязвими са екосистемите със сравнително прости хранителни вериги, т.е. тези, в които диапазонът от хранителни обекти от определен тип е тесен (например много екосистеми в Арктика). Загубата на една от връзките може да доведе до разпадане на цялата хранителна мрежа и деградация на екосистемата като цяло.

ТРОФИЧНА СТРУКТУРА НА ЕКОСИСТЕМАТА И ЕНЕРГИЯ. Зелените растения улавят 1-2% от слънчевата енергия, която пада върху тях, превръщайки я в енергията на химичните връзки. Консуматорите от първи ред абсорбират около 10% от цялата енергия, съдържаща се в растенията, които ядат. На всяко следващо ниво се губи 10-20% от енергията на предишното. Този модел е в пълно съответствие с втория закон на термодинамиката. Съгласно този закон при всяка трансформация на енергия значителна част от нея се разсейва под формата на топлинна енергия, която не е достъпна за използване. Така енергията бързо намалява в хранителните вериги, което ограничава тяхната дължина. Това също е свързано с намаляването на всяко следващо ниво на изобилието и биомасата (количеството жива материя, изразено в единици масаили калории) на живи организми. Въпреки това, както ще видим по-долу, това правило има редица изключения.

Стабилността на всяка екосистема се основава на определена трофична структура, която може да се изрази под формата на пирамиди от изобилие, биомаса и енергия. При конструирането им стойностите на съответния параметър за всяко трофично ниво се изобразяват като правоъгълници, подредени един върху друг.

Формата на популационните пирамиди (фиг. 50) до голяма степен зависи от размера на организмите на всяко трофично ниво, особено от производителите. Например, броят на дърветата в една гора е много по-малък от броя на тревите в една поляна.

Започвайки с консументи от 1-ви ред, повече или по-малко се спазва правилото, според което размерът на живите същества се увеличава на всяко следващо трофично ниво. Въпреки че тук има изключения: глутница вълци може да кара елен или лос - плячка, която е много по-голяма от всеки отделен вълк.

Пирамидите от биомаса отразяват по-добре реалната структура на екосистемата. Ако размерите на живите същества на различни трофични нива не се различават твърде много, тогава може да се получи стъпаловидна пирамида (виж фиг. 50). Но в екосистеми с много малки производители (фитопланктон) и големи консументи, общата маса на последните ще бъде по-висока и ще получим обърната пирамида. Този модел е типичен за повечето морски и сладководни екосистеми.

Фиг. 50. Екологични пирамиди

Енергийните пирамиди дават най-пълната картина на функционалната организация на една екосистема. Броят и масата на организмите на всяко трофично ниво зависят от изобилието на храна на предишното ниво в даден момент. Следователно пирамидите на изобилието и биомасата отразяват статиката на екосистемата, т.е. характеризират броя на организмите към момента на изследването.Пирамидата на енергията отразява скоростта на преминаване на храната през трофичната верига. Всяка негова стъпка символизира количеството енергия (по отношение на единица площ или обем), което е преминало през определено трофично ниво за определен период. Следователно формата на пирамидата на енергията не се влияе от промените в размера, изобилието и биомасата. Той винаги има формата на триъгълник с върха, обърнат нагоре, което е свързано със загубата на енергия при прехода от едно трофично ниво към друго (виж фиг. 50).

Изследването на трофичната структура на екосистемите, особено законите на енергийната трансформация, е от първостепенно значение за разбирането на механизмите, които са в основата на тяхната стабилност. Без това е невъзможно да се изчислят правилно допустимите граници на въздействие върху околната среда, извън които ще причини непоправими щети.

Трофичните връзки между организмите формират основата на една екосистема. Във всяка екосистема със сигурност има първични производители на органична материя - производители, и организми, които консумират и преработват тази субстанция - консументи и разлагачи. Тези основни компоненти на една екосистема образуват хранителните вериги и мрежи, през които преминава потокът от материя и енергия. В съответствие с втория закон на термодинамиката, на всяко трофично ниво има значителна загуба на енергия под формата на топлина, което ограничава дължината на хранителните вериги. Екосистемата функционира като единна, развиваща се система със саморегулация.

Обяснете защо е възможно да се идентифицират общи компоненти във всяка екосистема.
Каква е основата за взаимодействието на компонентите на екосистемата?
Какво е значението на разнообразието от нейните компоненти за устойчивостта на една екосистема?