Продуценты, консументы и редуценты; биотоп и биоценоз; учение В. Н. Сукачёва о биогеоценозе
Понятие экосистемы
Экосистема (термин предложен английским ботаником А. Тэнсли в 1935 году) — совокупность совместно обитающих организмов разных видов (биоценоз) и неживых компонентов среды их обитания (биотоп), связанных между собой обменом веществ, энергии и информации, образующая относительно устойчивую и саморегулирующуюся систему. Экосистемой можно назвать как крошечную лужу или трухлявый пень, так и целый океан или всю биосферу Земли — понятие экосистемы не привязано к конкретному пространственному масштабу и применимо к любой функционально целостной совокупности живых организмов и их среды обитания, в которой происходит круговорот веществ.
Биотоп и биоценоз как компоненты экосистемы
Любая экосистема состоит из двух неразрывно связанных частей. Биотоп — однородный по абиотическим условиям (рельефу, климату, почве, гидрологическому режиму) участок среды, неживой компонент экосистемы. Биоценоз — исторически сложившаяся совокупность популяций растений, животных, грибов и микроорганизмов, совместно населяющих данный биотоп (подробно рассмотрен в предыдущей теме). Экосистема — это именно единство биотопа и биоценоза, находящихся в постоянном взаимодействии: организмы приспосабливаются к условиям биотопа, но одновременно и сами активно изменяют его (почвообразование, накопление органики, изменение микроклимата, состава атмосферы).
Учение В. Н. Сукачёва о биогеоценозе
В отечественной науке близким по смыслу к экосистеме, но более строгим понятием является биогеоценоз, введённое в 1940 году советским геоботаником академиком Владимиром Николаевичем Сукачёвым. Биогеоценоз — это исторически сложившийся, однородный на всём протяжении участок земной поверхности с определённым составом живых (биоценоз) и неживых (биотоп, или, в терминологии Сукачёва, экотоп) компонентов, объединённых обменом веществом и энергией в единую устойчивую систему. В отличие от более широкого понятия экосистемы, применимого к системам любого ранга (от капли воды до биосферы), биогеоценоз всегда привязан к конкретному участку суши, границы которого совпадают с границами определённого фитоценоза (например, «биогеоценоз соснового бора» или «биогеоценоз пойменного луга»). В российской школьной и вузовской традиции понятия «экосистема» и «биогеоценоз» часто используют как близкие по смыслу, хотя формально биогеоценоз — понятие несколько более узкое и конкретное.
Функциональная (трофическая) структура экосистемы
По роли в круговороте веществ и потоке энергии все организмы экосистемы делят на три функциональные группы, связанные пищевыми (трофическими) отношениями.
Продуценты
Продуценты (производители) — автотрофные организмы, создающие органические вещества из неорганических за счёт энергии солнечного света (фотосинтезирующие растения, цианобактерии, водоросли) или энергии химических реакций (хемосинтезирующие бактерии). Продуценты — первичное, начальное звено любой экосистемы, единственный «вход» энергии в систему (за исключением хемосинтеза), поскольку именно они запасают энергию в химических связях органических веществ, которую затем используют все остальные организмы экосистемы.
Консументы
Консументы (потребители) — гетеротрофные организмы, потребляющие готовые органические вещества, созданные другими организмами. Консументы первого порядка — растительноядные животные (фитофаги), питающиеся непосредственно продуцентами (заяц, гусеница, корова). Консументы второго порядка — хищники, питающиеся консументами первого порядка (лисица, поедающая зайца). Консументы третьего порядка — хищники, питающиеся консументами второго порядка (более крупные хищники, вершины пищевых цепей). Всеядные организмы (человек, медведь, кабан) могут выступать в роли консументов разных порядков одновременно, в зависимости от конкретного вида пищи.
Редуценты
Редуценты (разрушители, деструкторы) — гетеротрофные организмы (главным образом бактерии и грибы, а также некоторые беспозвоночные — почвенные черви, личинки насекомых, участвующие в разложении), разлагающие органические остатки отмерших организмов (детрит) и продукты их жизнедеятельности до простых неорганических соединений (воды, углекислого газа, минеральных солей), которые вновь становятся доступны продуцентам. Редуценты замыкают круговорот веществ в экосистеме — без их деятельности органическое вещество накапливалось бы в виде неразложившихся остатков, а запасы минеральных веществ, необходимых продуцентам, были бы быстро исчерпаны.
Компоненты экосистемы: сводная таблица
| Компонент | Функция в экосистеме | Примеры |
|---|---|---|
Продуценты | Создание органических веществ из неорганических (автотрофы) | Зелёные растения, цианобактерии, хемосинтезирующие бактерии |
Консументы I порядка | Потребление продуцентов (фитофаги) | Заяц, корова, гусеница, саранча |
Консументы II и III порядка | Хищничество, потребление других консументов | Лисица, волк, ястреб |
Редуценты | Разложение органических остатков до неорганических веществ | Бактерии гниения, грибы-сапротрофы, почвенные черви |
Круговорот веществ и поток энергии
Ключевое отличие в поведении вещества и энергии в экосистеме: вещество совершает замкнутый круговорот (химические элементы многократно используются организмами, переходя от продуцентов к консументам и редуцентам и снова возвращаясь в неживую природу), тогда как энергия проходит через экосистему однонаправленным потоком — поступает в виде солнечного света, запасается продуцентами, передаётся по цепям питания от одного трофического уровня к другому с потерей значительной части (около 90%) в виде теплоты на каждом переходе (правило экологической пирамиды, или правило 10%), и в конечном счёте рассеивается в виде тепла, покидая экосистему безвозвратно. Именно поэтому для непрерывного существования экосистемы необходим постоянный приток энергии извне (в подавляющем большинстве экосистем — солнечной), тогда как вещество может многократно использоваться повторно.
Устойчивость и саморегуляция экосистем
Устойчивость экосистемы обеспечивается сбалансированностью всех трёх функциональных групп организмов и разнообразием пищевых связей между ними: чем больше в экосистеме видов на каждом трофическом уровне и чем сложнее и разветвлённее пищевая сеть (а не простая линейная цепь питания), тем устойчивее система к нарушению одного из звеньев, поскольку выпадающее звено может быть частично заменено другими видами со сходной функцией. Искусственные экосистемы (агроценозы — поля, сады, огороды), в отличие от естественных, характеризуются обеднённым видовым составом (обычно преобладанием одного вида-продуцента — монокультуры) и, как следствие, гораздо менее устойчивы и неспособны к длительному самостоятельному существованию без постоянного вмешательства человека (внесения удобрений, борьбы с вредителями и сорняками).
Типичные ошибки
Частая ошибка — считать, что вещество, как и энергия, безвозвратно теряется при переходе по цепям питания; на самом деле именно вещество совершает замкнутый круговорот благодаря деятельности редуцентов, тогда как безвозвратно теряется (рассеивается в виде тепла) именно энергия. Другая ошибка — путать понятия «экосистема» и «биоценоз»: биоценоз — это только совокупность живых организмов, тогда как экосистема включает в себя ещё и неживую среду их обитания (биотоп), связанную с биоценозом обменом веществ и энергии. Также нередко ошибочно относят редуцентов к консументам, хотя это принципиально разные функциональные группы: консументы потребляют живое или недавно погибшее органическое вещество, а редуценты полностью разлагают органические остатки до неорганических соединений, замыкая круговорот веществ.
Краткий словарь терминов
Экосистема — совокупность биоценоза и биотопа, связанных обменом веществ и энергии в единую устойчивую систему.
Биогеоценоз — понятие В. Н. Сукачёва: экосистема в границах конкретного однородного участка суши, совпадающих с границами фитоценоза.
Продуценты — автотрофные организмы, создающие органические вещества из неорганических.
Консументы — гетеротрофные организмы, потребляющие готовые органические вещества.
Редуценты — организмы, разлагающие органические остатки до неорганических веществ.
Правило экологической пирамиды (правило 10%) — на каждый следующий трофический уровень переходит в среднем около 10% энергии предыдущего уровня.
Агроценоз — искусственная, неустойчивая экосистема, созданная и поддерживаемая человеком (поле, сад).
Заключение
Экосистема представляет собой функциональное единство живых организмов (биоценоза) и неживой среды их обитания (биотопа), в котором продуценты, консументы и редуценты, связанные круговоротом веществ и однонаправленным потоком энергии, обеспечивают устойчивое и относительно самостоятельное существование системы; в отечественной традиции близкое по смыслу, но более строгое понятие биогеоценоза было разработано академиком В. Н. Сукачёвым. Понимание структуры и функционирования отдельной экосистемы — необходимая основа для изучения следующего, ещё более высокого уровня организации живого на Земле — биосферы в целом.
