Екосистема и нейната структура - Екология на транспорта

Екосистема е всяка съвкупност от взаимодействащи живи организми и условия на околната среда. Терминът "екосистема" е въведен от английския фитоценолог А. Тенсли през 1935 г. Екосистемите са например горска площ, река, море, аквариум, кабина на космически кораб, географски ландшафт или дори цялата биосфера.

Еколозите също използват термина "биогеоценоза", предложен от съветския ботаник В. Н. Сукачев. Този термин се отнася до съвкупността от растения, животни, микроорганизми, почва и атмосфера върху хомогенна земна площ. Биогеоценозата е синоним на екосистема.

Между екосистемите, както и между биогеоценозите, обикновено няма ясни граници и една екосистема постепенно преминава в друга. Големите екосистеми са съставени от по-малки екосистеми.

Най-голямата екосистема е биосферата - обвивката на планетата, населена с живи организми. Дебелината на биосферата е малко повече от 20 km (организмите живеят над земната повърхност не по-високо от 6 km над морското равнище, потъват не по-дълбоко от 15 km в земната маса и 11 km в дълбините на океана), но по-голямата част от живата материя е концентрирана в близкия повърхностен слой с дебелина 50–100 m - това е височината на горския покрив и дълбочината на проникване на основната маса от корени. В тези граници са концентрирани сухоземни и почвени животни и микроорганизми. В океана най-обитаемите от растения и животни са огрените от слънцето и затоплени до дълбочина 10-20 m приповърхностни водни слоеве. Повече от 90% от растителната и животинската биомаса е концентрирана в този тънък слой на биосферата.

Структурата на екосистемата е естествено функционално и морфологично разделение на екосистемата на подсистеми и блокове, които играят ролята на "тухли" в екосистемата. Структурните елементи включват:

- популации,
- консорциуми(набор от хетерогенни организми, тясно свързани помежду си и зависими от централния член или ядрото на общността), -
- синузия (едностепенно групиране на растения в рамките на фитоценоза; набор от животински и растителни популации, свързани помежду си с общи изисквания за местообитание),
- нива на растителност (разделяне на общността на нива), т.е. структури на биоценоза (фитоценоза) и структури на биогеоценоза (екосистеми).

Всяка популация е включена едновременно в две структури: в екологичната пирамида (тревопасните се хранят с растения, хищниците се хранят с тревопасни и т.н.); в група от екологично сходни популации, които съставляват биотична общност (напр. тревна общност на поляна). Заедно със своите постоянни спътници - микроорганизми, насекоми, гъби - такива съобщества образуват асамблеи, така да се каже, "хоризонтално" (наричат се синузии; например синузии на мъхове в гората) и в същото време "вертикално", по цялата дебелина на слоя живот в обитаемата среда - това са консорциуми). Добавянето на синузии (например дървета, храсти, треви, мъхове) и консорциумите, включени в тях, дава нов тип парцел - биогеоценотичен.

От екологична гледна точка в структурния състав на екосистемата се разграничават следните компоненти:

1) неорганични вещества (C, N, CO2, H2O и т.н.), включени в цикли;
2) органични съединения (протеини, въглехидрати, липиди, хуминови вещества и др.), които свързват биотичните и абиотичните части;
3) въздушна, водна и субстратна среда, включително климатичния режим и други физически фактори;
4) производители, автотрофни организми, предимно зелени растения, които могат да произвеждат храна от прости неорганични вещества;
5) макроконсуматори или фаготрофи (от гръцки фагос - поглъщащ), -хетеротрофни организми, главно животни, които се хранят с други организми или частици от органична материя;
6) микроконсуматори, сапротрофи (от гръцки sapros - гнило), деструктори или осмософи (от гръцки osmos - тласък, натиск), са хетеротрофни организми, главно бактерии и гъбички, които получават енергия или чрез разлагане на мъртви тъкани, или чрез абсорбиране на разтворена органична материя, освободена спонтанно или извлечена от сапротрофи от растения и други организми. В резултат на дейността на сапротрофите се освобождават неорганични хранителни вещества, подходящи за производителите; в допълнение, сапротрофите доставят храна на макроконсуматорите и често секретират хормоноподобни вещества, които инхибират (забавят) или стимулират функционирането на други биотични компоненти на екосистемата.

Следните компоненти са необходими за функционирането на всяка екосистема: слънчева енергия (и други форми на енергия); вода; хранителни вещества (основни абиотични неорганични и органични съединения), съдържащи се в почвите, дънните седименти и водата; автотрофни и хетеротрофни организми, които образуват биотични хранителни мрежи. Функционирането на сухоземните и водните екосистеми е подобно, но те включват напълно различни видове. В допълнение, в дълбоководните екосистеми зелените растения са представени от много малки, често микроскопични форми (фитопланктон), докато растенията от сухоземни и някои плитки водни екосистеми са големи.

Една от общите характеристики на всички екосистеми, независимо дали са сухоземни, сладководни, морски или изкуствени екосистеми (например земеделски), е взаимодействието на два основни компонента: автотрофен компонент (автотрофен означава самохранещ се), способен да фиксира светлинна енергия и да я използва за хранапрости неорганични вещества и хетеротрофен компонент (хетеротрофен означава хранене с готови органични вещества), който разлага, възстановява и използва сложни вещества, синтезирани от автотрофни организми.

Организмите, участващи в различни циклични процеси, са частично разделени в пространството. Автотрофните процеси са най-активни в горния слой („зелен пояс“), където има слънчева светлина. Хетеротрофните процеси протичат най-интензивно в долния слой ("кафяв пояс"), където се натрупват органични вещества в почвите и седиментите. В допълнение, тези основни функции на компонентите на екосистемата също са частично разделени във времето, тъй като е възможна значителна времева разлика между производството на органична материя от автотрофни организми и нейното потребление от хетеротрофи. Например, основният процес в короната на една горска екосистема е фотосинтезата. Само част, и то малка част, от продуктите на фотосинтезата се използват незабавно и директно от самото растение, тревопасни животни и паразити, които се хранят с листа и други активно растящи тъкани на растението. Повечето от синтезирания материал (листа, дървесина, хранителни резерви, отложени в семена и коренища) не се консумират веднага и постепенно преминават в постелята и почвата (или съответно в седиментните слоеве във водните екосистеми), които заедно съставляват отделна хетеротрофна система. Може да отнеме много седмици, месеци, години или дори хилядолетия (в случай на изкопаеми горива, които сега се консумират бързо от хората), преди цялата тази натрупана органична материя да бъде изразходвана. Органичната материя, участваща в процеса на разлагане, се нарича детрит. Терминът "детрит" (продукт на гниене от латински deterere - износване)заимствано от геологията, където обикновено се нарича продуктите от разрушаването на скалите.

Специализацията на живите форми като производители и консуматори на храна създава определена енергийна структура в биологичните съобщества, наречена трофична структура (от гръцки trophe - хранене), в рамките на която се осъществява пренос на енергия и кръговрат на хранителните вещества. Преносът на енергия и храна от нейния източник - автотрофи (растения) - през редица организми се извършва по хранителната верига: чрез изяждане на едни организми от други.

Хранителната верига е поредица от видове или техните групи, всяка предходна връзка в която служи като храна за следващата. При всеки следващ трансфер повечето (80-90%) от потенциалната енергия се губи, превръщайки се в топлина. Следователно, колкото по-къса е хранителната верига (колкото по-близо е организмът до началото си), толкова по-голямо количество енергия е на разположение на населението.

Хранителните вериги могат да бъдат разделени на два основни типа: верига на паша, която започва със зелено растение и продължава към тревопасни животни (т.е. организми, които ядат живи растителни клетки или тъкани) и месоядни животни (организми, които ядат животни), и детритна верига, която преминава от мъртва органична материя към микроорганизми и след това към детритиви и хищници. Хранителните вериги не са изолирани една от друга, а са тясно преплетени една с друга, образувайки така наречените хранителни мрежи.

Трофично ниво - съвкупност от организми, които получават енергията на Слънцето и химични реакции, превърнати в храна (от автотрофи) чрез същия брой медиатори на трофична верига, т.е. заемащи определена позиция в хранителната верига. И така, зелените растения заемат първото трофично ниво (нивото на производителите), тревопасните - второто (нивото на първичните потребители), първичнотохищниците, които ядат тревопасни животни, са трети (нивото на вторичните потребители), а вторичните хищници са четвъртото (нивото на третичните потребители). Тази трофична класификация се отнася до функциите, а не до видовете сами по себе си. Популация от даден вид може да заема едно или повече трофични нива в зависимост от това какви източници на енергия използва. Този биологичен цикъл се затваря, като правило, от разлагащи или разграждащи (микроорганизми, бактерии), които разлагат органични остатъци.

Потребителите не са просто пасивни „ядящи“, включени в хранителната верига. Те, при задоволяване на енергийните си нужди, често действат чрез система за положителна обратна връзка на по-високи трофични нива. Например в Африка пашата на растителността на савана от огромни стада антилопи, заедно с пожарите през сухия сезон, увеличава скоростта на връщане на хранителни вещества в почвата. В следващия дъждовен сезон възстановяването на тревата се подобрява и производството й се увеличава. Известен е интересен пример за въздействието на потребителите върху производителите на морската екосистема. Раците цигулари, хранещи се с морски блата с водорасли и детрит, се „грижат“ за своите фуражни треви по няколко начина. Чрез копаене на почвата, раците увеличават циркулацията на водата около корените на тревата и внасят кислород и хранителни вещества дълбоко в анаеробната зона на брега. Постоянно обработвайки богати на органични вещества дънни тини, с които се хранят, раците подобряват условията за растеж и развитие на бентосни водорасли.

Трофичната структура може да бъде изобразена графично под формата на екологични пирамиди, чиято основа е първото ниво (нивото на производителите), а следващите нива образуват етажите и върха на пирамидата (Фигура 1).

Фигура 1. Екологична пирамида (биомаса) и трофични нива векосистема. Пирамидата е обърната с главата надолу.

Екологичната пирамида е съотношението между продуценти, консументи и разлагатели в природните екосистеми, изразено в тяхната маса под формата на графични модели. Ефектът на пирамидата под формата на такива модели е разработен от Чарлз Елтън (1927). Екологичните пирамиди могат да бъдат класифицирани в три основни типа:

1) пирамида на числата - отразява броя на отделните организми по протежение на трофичните вериги, а броят на индивидите значително намалява, когато производителите се преместят към потребители от различни порядки;
2) пирамида на биомаса - показва съотношението на различните организми по хранителните вериги в дадена екосистема. Вижда се, че параметрите на производителите като правило са по-високи от тези на потребителите от различни порядки (оттук и формата на пирамидата);
3) пирамидата на енергията - дадени са стойностите на енергийния поток през последователни трофични (хранителни) нива, т.е. тази пирамида отразява картината на скоростите на преминаване на маса храна през трофичната верига и т.н. Всички тези основни видове екологична пирамида показват закономерно намаляване на всички показатели с повишаване на трофичното ниво на живите организми.

На всяко трофично ниво консумираната храна не се усвоява напълно, тъй като значителна част от нея се губи, изразходвана за метаболизма, така че производството на организми на всяко предишно ниво винаги е по-малко от следващото. В тази връзка в сухоземните екосистеми теглото на производителите (на единица площ и абсолютно) е по-голямо от това на консументите, има повече консументи от първи ред, отколкото консументи от втори ред и т.н. Следователно графичният модел изглежда като пирамида. В някои водни екосистеми, характеризиращи се с изключително висока биологична продуктивност на производителите, пирамидата на биомасата може да бъде обърната, т.е.в тях има по-малко производители, отколкото консуматори, а понякога и разлагащи.