Законы функционирования экосистемы кратко

Обновлено: 04.07.2024

Экосистема - это совокупность консументов, продуцентов, детритофагов, которые взаимодействуют с окружающей их средой и друг с другом посредством обмена энергией, веществом и информацией таким образом, что данная единая система хранит устойчивость.

Основа экосистем - живые вещества, характеризующиеся биотической структурой, и среды обитаний, обусловленные совокупностью экологических факторов.

Несмотря на разнообразие экосистем, все они владеют структурными сходствами. В любой из них можно выделять фотосинтезирующие растение - продуценты, разные уровни консументов, редуцентов и детритофагов, которые и составляют биотическую структуру экосистем.

Живая и неживая природа, находящаяся вокруг растений, человека и животных, носит название среда обитания. Масса некоторых компонентов среды, воздействующих на организмы, называются экологическими факторами. По природе генезиса выделяют биотические, абиотические и антропогенные факторы.

Свойства экосистем

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

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.

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.

Готовые работы на аналогичную тему

Функционирование экосистем

Существенные структурные черты экосистемы обусловливают три существенных принципа или условия функционирования экосистемы:

наличия потоков солнечной энергии;
существования круговоротов биологических веществ;
снижения биомассы при увеличении трофического уровня.

Первый принцип - экосистема существует за счет незагрязняющей окружение и почти постоянной солнечной энергии, число которой сравнительно избыточно и постоянно. До индустриальной революции человечество обеспечивало свое существование, применяя энергию домашнего животного, ветра, дров и воды, т. е. ту же солнечную энергию. Массовое употребление источников ископаемой энергии, возникшее ориентировочно 250 лет назад, а также употребление ядерной энергии, несомненно, нарушает принцип первый и ведет к переменчивому развитию экосистемы.

Второй принцип - в природных экосистемах употребление ресурсов и освобождение от отходов реализовывают в рамках круговоротов всех химических компонентов. Но, все-таки, их соотношение утвердилось в течение колоссального промежутка времени, в течение которого формировалась жизнь на планете. Людская же деятельность привносит в экосистему большое количество различных химических соединений, переработать которые утвержденные экосистемы не способны.

Третий принцип - чем значительнее биомасса популяций, тем ниже соответствующий и занимаемый ею трофический уровень. Но количество людей растет с большой скоростью и превосходит 90 млн человек в год. Так как гигантская масса людей, особенно в цивилизованных странах, причисляют к третьим трофическим уровням, т. е. едят мясо, то требуется большая площадь сельскохозяйственных насождений, чтобы ублаготворить пищевые надобности. Более или менее натурально третий принцип осуществляется немногими.

В Монголии, например, где народонаселение страны составляет примерно 2,5 млн при количестве скота 35 млн, последние совершенно снабжены пастбищным пространством. В прочих же странах требуется беспрерывное повышение посевных участков, что приведет к истреблению лесов, разбитию почв и загрязнениям среды нехарактерным ей химическим элементом.

М.Э. Гусельников, В.Н. Стройнова
Биоэкология
Учебное пособие. – Томск: Изд. ТПУ, 2002. – 104 с.

Отношения в экосистеме

Какие отношения между организмами могут существовать внутри экосистемы?

1. Конкуренция, когда два вида или два представителя одного вида используют одни и те же ресурсы. Основой являются пространственные или трофические отношения. Численность популяций в условиях конкуренции подчиняется принципу конкурентного исключения Гаузе. Ярким примером является конкуренция в человеческом обществе из-за социальных условий: зарплаты, квартиры и т.д. Два самца могут конкурировать из-за самки, территории и т.д.

2. Отношения хищник — жертва. Они снижают напряженность конкуренции и способствуют видовому разнообразию биоценоза. Основаны на прямых трофических связях. Отношения хищник — жертва (в том числе травоядные животные — растения) очень распространены в биоценозах. Хищничество — способ питания живых организмов, при котором они ловят, умерщвляют и поедают другие живые организмы.

Хищничество встречается среди всех видов животных, среди некоторых видов грибов и насекомоядных растений. В трофической цепи хищники — консументы 1 и 2 порядка, жертвы — продуценты и консументы 1 порядка. В системе хищник — жертва партнеры взаимно приспособлены друг к другу. Только в этом случае при питании хищников жертвами численность жертв поддерживается на определенном уровне. Эволюция хищников и их жертв происходит совместно, при этом хищники совершенствуют способы нападения, а жертвы — способы защиты. Со стороны хищников можно наблюдать миграции вслед за жертвами, со стороны жертв — другие способы приспособления. Установлено, что неприспособленные жертвы гибнут в среднем в два раза чаще, чем приспособленные. Соответственно численность хищников строго следует за численностью жертв. Математики А. Лотка и В. Вольтерра независимо друг от друга предложили систему уравнений для описания отношений в системе хищник — жертва. Это система дифференциальных уравнений, предсказывающая колебания численности обоих компонентов системы и описывающая устойчивые колебания, затухающие колебания, колебания с возрастающей амплитудой (автоколебания).

3. Отношения паразит — хозяин характеризуются тем, что одна сторона использует другую в качестве среды обитания или источника пищи. Паразитизм широко распространен в природе, особенно у растений (паразиты — лианы) и высших животных (паразиты — клещи).

4. Основой симбиоза — взаимовыгодного партнерства — служат трофические и пространственные отношения, например питание одного организма за счет другого неиспользованными остатками пищи, продуктами пищеварения или тканями организма. Пример: тигр — шакал, человек — мухи. Симбиоз наблюдается у бобовых растений и азотфиксирующих бактерий. Бактерии снабжают растения нитратами, которые вырабатывают из воздуха, а сами получают от растения углеводы. Высшие животные переваривают пищу благодаря микроорганизмам в кишечнике (кишечная флора). Морские животные часто используют чужие норы и раковины.

Интересны отношения между растениями и животными в пределах одного биоценоза. С помощью животных происходит расселение растений по территории обитания животных (транспортировка семян), опыление растений.

Самоочищение экосистемы

В процессе своего функционирования экологическая система производит отходы, так как любое живое существо рождается, живет, умирает, и все живые существа внутри экосистемы выделяют в нее продукты своей жизнедеятельности. Однако, с другой стороны, экосистема является единственным примером безотходного производства потому, что экосистема утилизирует свои отходы на основе трофических связей. Процесс утилизации отходов называется САМООЧИЩЕНИЕМ экосистемы.

Для примера проследим процесс самоочищения экосистемы водоема. Каждый водный организм вносит определенный вклад в самоочищение водоема, в результате чего формируется вода, пригодная как для питья, так и для жизни обитателей. Мелкие ракообразные (например дафнии) составляют основную массу зоопланктона. Они легко отфильтровывают отдельные бактериальные клетки, размер которых не превышает 1.5 — 2 мкм, и питаются ими. Таких ракообразных называют тонкими фильтраторами. Функцию фильтрации у них выполняют жабры. Другие ракообразные и моллюски употребляют в пищу крупные бактерии и бактериальные агрегаты, поэтому их называют грубыми фильтраторами.

Большое влияние на самоочищение водоема оказывает температура воды. Поскольку вода при температуре t = 4 о С обладает максимальной плотностью, холодные слои воды опускаются вниз. В это время слои воды с температурой t, отличающейся от 4 о С поднимаются вверх. Таким образом происходит перемешивание водных слоев, что способствует самоочищению водоемов. Самоочищение подвергается опасности в результате техногенного загрязнения. Обитатели водоема справляются с самоочищением до определенного предела. Если загрязнение превышает этот предел, то начинается разрушение биоценоза. Предел зависит от устойчивости живых существ к загрязнению.

Одним из основных экологических законов является действующий в экологических системах ЗАКОН ВНУТРЕННЕГО ДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ: вещество, энергия, информация и динамические характеристики экосистемы взаимосвязаны настолько, что любое изменение одной из них приводит к изменениям в соседних таким, что степень порядка и общая сумма остаются неизменными. Этот закон имеет следующие следствия:

1. Любое изменение среды (вещества, энергии, информации, динамических характеристик) приводит к развитию природных цепных реакций, ведущих к нейтрализации изменений или к необратимому образованию новых природных систем.

2. Взаимодействие вещества, информации и энергии внутри экосистемы нелинейно, то есть слабое изменение одного может вызвать сильные изменения в других характеристиках.

3. Производимые в крупных экосистемах внешние воздействия необратимы, то есть они влияют на биосферу в целом и вызывают эволюционные скачки.

4. Любое преобразование природы вызывает в окружающей биосфере ответные реакции, направленные на сохранение равновесия экосистемы. Существенных изменений можно достигнуть с помощью значительного вложения энергии, поток энергии ограничен термодинамической устойчивостью системы.

Внутри экологических систем также действует ПРИНЦИП Ле ШАТЕЛЬЕ — БРАУНА: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, само равновесие смещается в сторону, ослабляя внешнее воздействие. При очень больших воздействиях (сильное загрязнение) этот принцип нарушается. Отсюда следует однозначный вывод: самоочищение экосистем не безгранично, сильное загрязнение приводит к их разрушению и нарушению биосферы в целом. Вырубка лесов, кислотные дожди (самоочищение атмосферы), водохранилища, рекреационные нагрузки (отдых людей), радиация, выбросы в атмосферу и водоемы разрушают экосистемы и приводят к изменению ландшафта, почв, состава атмосферы, то есть к нарушению биосферы в целом.

Динамика экосистем

Очевидно, что экосистема является подвижной, динамической. За многие миллионы лет изменялась также биосфера Земли: климат, состав атмосферы, рельеф гор и мировой океан. Многие сообщества, например ящеры, вымерли и заменены другими. Говорят, что экосистема подвержена СУКЦЕССИИ — последовательной необратимой смене биоценозов, возникающих преемственно на одной территории. Сукцессии бывают первичными — возникают по естественным причинам, и вторичными — возникают по причине техногенных воздействий.

Проследим первичную сукцессию на примере биома. Пусть имеется участок суши, не заселенный живыми существами. Первыми появляются лишайники, разрушающие твердую поверхность и способствующие появлению почвы. Следующими будут мхи, способные удерживать влагу в почве. Принесенные ветром семена трав и кустарников укореняются и размножаются. Корни измельчают почву, что сохраняет в ней минеральные вещества. Почва становится более плодородной. Биомасса растений увеличивается, появляются животные — консументы 1 порядка, затем консументы 2 порядка. Остатками вымерших продуцентов и консументов питаются редуценты.

Таким образом, имеем сначала неустойчивые — серийные, затем устойчивые — стабильные сообщества. Стадии развития сообществ до состояния устойчивого равновесия занимают десятки и сотни лет, то есть сукцессия относится к эволюционным процессам. Конечная стадия называется климаксовой. Трофические связи со временем усложняются, появляются новые виды растений и животных, достигается видовое разнообразие, появляются новые экологические ниши, которые тут же заполняются.

Итак, экосистема в результате сукцессии проходит последовательно следующие стадии развития: серийную (неравновесную) – стабильную — климаксовую (равновесную). При этом увеличивается поток энергии, расходуемый на поддержание экосистемы.

Первичную сукцессию регулируют следующими законами:

1. Закон последовательности фаз развития: каждая фаза готовит среду для возникновения последующей фазы. В рассмотренном примере после фазы мхов не может возникнуть фаза консументов 2 рода, так как они сразу вымрут от отсутствия пищи.

2. Закон сукцессионного замедления: процессы, идущие в равновесных экосистемах, имеют тенденцию к снижению темпов.

3. Закон стабилизации видового состава климакса: разнообразие стремится к максимуму на ранних и средних стадиях сукцессии, затем снижается в климаксе.

4. Биогеохимический круговорот веществ в ходе сукцессии становится все более замкнутым. Этот закон сильно нарушается техногенным воздействием на растительность.

5. Чем больше нарушена среда обитания (биотоп), тем на более ранних стадиях заканчивается сукцессия. Это также следствие техногенного воздействия.

6. Закон эволюционно-экологической необратимости: экосистема, потерявшая часть своих элементов или сменившаяся другой в ходе сукцессии, не может вернуться на предыдущую фазу сукцессии. Невозможно начать сукцессию снова, поскольку имеется новая экосистема.

Таким образом, основной функцией экосистемы является поддержание устойчивого круговорота веществ. Внутри экосистемы осуществляется обмен информацией, веществом и энергией. Экосистема является динамической открытой системой, подчиняется системным законам и связана обменными процессами с биосферой Земли.

1. Какой тип отношений реализуется между лисами и зайцами?

2. Какой тип отношений реализуется между двумя тиграми одного возраста, пола, комплекции?

3. Какой тип отношений реализуется между тиграми и шакалами?

4. Какой тип отношений реализуется между клещами и млекопитающими?

Исторически первыми законами экологии были законы лимитирующих факторов. Одним из главных достижений экологии стало открытие, что развиваются не только организмы и виды, но и экосистемы.

Основные (некоторые) законы развития и функционирования экосистем:

· Любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды. Абсолютно изолированное развитие невозможно. Основные следствия этого закона:

а) абсолютно безотходное производство невозможно, подобно созданию "вечного двигателя". Оптимальны цикличные производства (отходы одних процессов служат сырьем для других), нейтрализация неустраняемых энергетических и других отходов, разумное депонирование (захоронение) неминуемых остатков;

б) любая развитая биотическая система, используя и видоизменяя среду жизни, представляет потенциальную угрозу менее организованным системам. Поэтому в биосфере невозможно повторное зарождение жизни - она будет уничтожена существующими организмами. Следовательно, воздействуя на среду обитания, человек должен нейтрализовать эти воздействия, поскольку они могут оказаться разрушительными для природы и самого человека.

· Вещество, энергия, информация и качество отдельных природных систем взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из этих факторов вызывает функциональные, структурные, качественные и количественные изменения всех систем и их иерархии.

· Принцип Ле-Шателье - Брауна: При внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в сторону процесса, ослабляющего внешний эффект.

· Принцип экономии энергии (Л. Онзагера): при вероятности развития процесса в некотором множестве направлений, допускаемых началами термодинамики, реализуется то, которое обеспечивает минимум рассеивания энергии.

· Принцип сохранения упорядоченности (И. Пригожина): в открытых системах энтропия не возрастает, а уменьшается до тех пор, пока не достигается постоянная величина, всегда большая нуля.

· Правило Шредингера (о "питании" организма отрицательной энтропией): упорядоченность организма выше, чем у окружающей среды, и организм отдает в эту среду больше неупорядоченности, чем получает.

· Закон максимализации биогенной энергии (энтропии) В.И.Вернадского - Э.С.Бауэра: Любая биологическая система, находясь в равновесии с окружающей средой и эволюционно развиваясь, увеличивает свое воздействие на среду, если этому не препятствуют внешние факторы.

· Закон максимализации энергии экосистем: среди конкурирующих экосистем, возможных в данной среде, побеждает та, что наиболее эффективно использует энергию и информацию.

· Закон оптимальности: состав и размер частей экосистем не могут быть произвольными, а должны обеспечивать оптимальное функционирование всей системы в данных условиях среды.

· Закон необходимого разнообразия: ни одну эффективную и устойчивую экосистему невозможно построить из тождественны элементов.

· Экосистема, потерявшая часть своих элементов, не может вернуться в первоначальное состояние.

· Слабые воздействия могут и не вызывать ответных реакций природной системы, но, накопившись, они приведут к развитию бурного, непредсказуемого динамического процесса (Х.Боумен). "Жесткое", как правило, техническое, управление природными процессами чревато цепными реакциями, значительная часть которых оказывается экологически, социально и экономически неприемлемыми.

· Сокращение естественной биоты в объеме, превышающем пороговое значение, лишает окружающую среду устойчивости, которая не может быть восстановлена путем создания очистных сооружений и перехода к безотходному производству (В.Г.Горшков). В ходе эксплуатации природных систем нельзя переходить пределы, позволяющие этим системам сохранять свойства самоподдержания (самоорганизации и саморегуляции).

Некоторые законы экологии сформулированы Б. Коммонером в виде афоризмов:

· все связано со всем (принципы взаимосвязи);

· мы не можем делать что-то одно (принцип сопутствующих последствий);

· все куда-либо движется (любое химическое вещество рано или поздно попадает в окружающую среду);

· всему есть предел (ресурсы и системы жизнеобеспечения Земли не бесконечны, никакая популяция не может расти бесконечно);

· природа знает лучше (принцип сложности: природа не только более сложна, чем мы о ней думаем, она гораздо сложнее, чем мы можем себе это представить).

Основные (некоторые) законы развития и функционирования экосистем:

· Экосистема, потерявшая часть своих элементов, не может вернуться в первоначальное состояние.

Некоторые законы экологии сформулированы Б. Коммонером в виде афоризмов:

· все связано со всем (принципы взаимосвязи);

· мы не можем делать что-то одно (принцип сопутствующих последствий);

· все куда-либо движется (любое химическое вещество рано или поздно попадает в окружающую среду);

Адаптация живых организмов, её виды и значение

Понятие адаптации

Без понятия "адаптация" (приспособление) в экологии обойтись невозможно. Вспомним, что в определении экологии как науки мы исходили из представлений о взаимоотношениях организмов (и их естественных групп). Эти взаимоотношения в своей основе приспособительные. Все животные, так или иначе, приспосабливаются добывать пищу, защищаться от врагов и т.п. Растения же приспосабливаются бороться за свет, влагу, защищаться от выедания, под влиянием естественного отбора образовывать ядовитые или покрытые колючками виды, распространять свои семена и т. п. Рассматривая понятие "биогеоценоз", мы говорили о взаимной приспособленности его членов. Но что же представляет собой явление приспособления в целом, в чем его сущность?

Мы часто употребляем понятие “адаптация” даже по отношению к самим себе, но не всегда задумываемся о его содержании. Например, северяне, приезжающие отдыхать на побережье Черного моря, первые 2-3 дня чувствуют себя неважно, но вскоре все проходит. Организм, как говорят, "адаптируется", или "акклиматизируется". Но все это термины.

В чем же основная суть всякого процесса адаптации, или приспособления? Есть все основания допустить, и это можно установить с помощью приборов или простых наблюдений, что при адаптации в организме происходят какие-то изменения. Конечный биологический смысл их, очевидно, сводится к тому, чтобы данная особь (это мы можем отнести к организмам любого вида) выжила при неблагоприятных условиях и оставила потомство. Средства же могут быть самые разные. Например, к наступлению зимних холодов у одних животных вырастает густой и теплый меховой покров, который к тому же приспособительно изменяет свою окраску, у других образуется толстый подкожный слой жира, третьи, тоже откормившись за лето, залегают в спячку. Деревья сбрасывают листья, их почки покрываются толстым восковым слоем и т. п.

Адаптация - это обратимые приспособительные изменения организма, заключающиеся в совокупности реакций живой системы, направленных на поддержание её функциональной устойчивости при изменении условий окружающей среды.

Адаптации к действию факторов внешней и внутренней среды направлены на осуществление жизненных процессов в оптимальных условиях. Они обеспечивают выживание организма в изменяющихся условиях среды, а в целом - непрерывность круговорота веществ в биосфере.

Адаптации как ответы биологической системы на внешние влияния могут осуществляться на самых разных уровнях биологической организации - от отдельных особей до целых экосистем (см. рис. 4.3).

Рисунок 4.3 – Примеры адаптации живых организмов с целью
приспособления к самосохранению

Формы адаптаций

Видовые адаптации. В экологии нас больше всего интересуют приспособления групп особей - популяций и видов организмов. И их приспособлений немало. Многие из них направлены на поддержание численности популяций при усилении влияния врагов (в ответ на так называемый "пресс хищников"), например путем увеличения плодовитости.

Морфологические адаптации. Пример морфологических адаптаций – строение организмов, обитающих в воде. Например, приспособления к плаванию у китообразных, приспособления к парению в воде у планктонных организмов. Растения, обитающие в пустынях, лишены листьев, а их строение наилучшим образом приспособлено к минимальным потерям влаги.

Физиологические адаптации. Это могут быть особенности ферментативного набора в пищеварительном тракте животных. Данный набор определяется составом пищи. Обитатели пустыни способны удовлетворять потребность во влаге путём биохимического окисления жиров (горбы у верблюда). Биохимические процессы фотосинтеза отражают способность растений создавать из неорганических веществ органические в условиях строго определённого газового состава атмосферного воздуха.

Поведенческие (этологические) адаптации. Они проявляются в различных формах, например, для обеспечения нормального теплообмена с окружающей средой: создание убежищ, передвижение с целью выбора оптимальных температурных условий. Так известны суточные и сезонные кочевки млекопитающих и птиц.

Адаптации экосистем. Внутри биоценоза или любой многовидовой системы существуют взаимные приспособления организмов (поскольку существует связи между ними). Но даёт ли это основания утверждать, что биоценоз, а тем более экосистема как единое целое может адаптивно реагировать на резкие изменения экологических факторов?

Примером подтверждения является явление сукцессии, т.е. последовательной смены видового состава биоценозов (в примере восстановление леса после пожара или порубки). Это закономерная перестройка системы, приводящая её к устойчивому состоянию. Всякая адаптация направлена на обеспечение устойчивого функционирования системы (организма, вида или биоценоза) в изменяющихся условиях окружающей среды.

Следовательно, сукцессию биоценоза можно рассматривать как адаптацию сложной, многокомпонентной биологической системы. Но так как биоценоз - это основная биологическая часть всякой экосистемы, то свойство адаптации может быть распространено и на экосистему в целом.

Приспособление и угнетение

В настоящее время, в условиях растущего загрязнения биосферы и усиления других антропогенных воздействий, необходимо знать, каковы приспособительные возможности отдельных организмов, видов, биоценозов, в том числе адаптивные возможности человека. Для человека, как и для всякого другого биологического вида, существуют свои границы переносимых колебаний условий среды. Их необходимо знать и учитывать. Для их раскрытия и реализации развиваются новые разделы науки - космическая биология и космическая медицина.

Современный человек приспосабливается к условиям среды, познавая законы природы и активно изменяя условия своей жизни. И хотя в этих процессах ведущую роль играют уже социальные закономерности, нельзя оставлять без внимания биологическую природу человека и его уязвимые стороны как биологического вида.

Исследования показали, что трудно провести четкую границу между адаптацией и угнетением организмов под действием тех или иных факторов. Кроме того, вызывает тревогу возросшее количество дефектов развития и уродств среди рождающихся детей на планете как следствие радиоактивного и химического загрязнения среды. Здесь есть над чем серьезно задуматься: какой ценой адаптируется человеческий род к загрязнению среды, им же самим создаваемому?

Читайте также: