Агроекосистеми (сільськогосподарські екосистеми, агроценози) - штучні екосистеми, що виникають в результаті сільськогосподарської діяльності людини (рілля, сінокоси, пасовища). Агроекосистеми створюються людиною для отримання високої чистої продукції автотрофів (врожаю). У них, так само як і в природних співтовариствах, є продуценти (культурні рослини і бур'яни), консументи (комахи, птахи, миші і т.д.) і редуценти (гриби і бактерії). Обов'язковою ланкою харчових ланцюгів в агроекосистемах є людина.
Відмінності агроценозів від природних біоценозів:
- незначне видове різноманіття;
- короткі ланцюга харчування;
- неповний круговорот речовин (частина поживних речовин несеться з урожаєм);
- джерелом енергії є не тільки Сонце, але і діяльність людини (меліорація, зрошення, застосування добрив);
- штучний відбір (дія природного відбору ослаблене, відбір здійснює людина);
- відсутність саморегуляції (регуляцію здійснює людина) і ін.
Таким чином, агроценози є нестійкими системами і здатні існувати тільки за підтримки людини.
Урбосістеми (урбаністичні системи) - штучні екосистеми, що виникають в результаті розвитку міст, і що представляють собою осередок населення, житлових будинків, промислових, побутових, культурних об'єктів і т.д. У їх складі можна виділити наступні території:
- промислові зони. де зосереджені промислові об'єкти різних галузей господарства і є основними джерелами забруднення навколишнього середовища;
- Селітебні зони (житлові або спальні райони) з житловими будинками, адміністративними будівлями, об'єктами культури і т.п .;
- рекреаційні зони, призначені для відпочинку людей (лісопарки, бази відпочинку і т.п.);
- транспортні системи і споруди. пронизують всю міську систему (автомобільні і залізні дороги, метрополітен, заправні станції, гаражі, аеродроми і т.п.).
Існування урбоекосистем підтримується за рахунок агроекосистем і енергії горючих копалин і атомної промисловості.
Зміни в спільнотах можуть бути циклічними і поступальними.
Циклічні зміни - періодичні зміни в біоценозі (добові, сезонні, багаторічні), при яких біоценоз повертається до вихідного стану.
Поступальні зміни - зміни в біоценозі, в кінцевому рахунку, приводять до зміни цієї спільноти іншим.
Сукцесія - послідовна зміна біоценозів (екосистем), виражена в зміні видового складу і структури спільноти. Послідовний ряд змінюють один одного в сукцесії спільнот називається сукцессионной серією. До Сукцесія відносяться опустелювання, заростання озер, утворення боліт і ін.
Залежно від причин, що викликали зміну біоценозу, сукцессии ділять на природні та антропогенні, аутогенні і алогенних.
Природні сукцессии відбуваються під дією природних причин, не пов'язаних з діяльністю людини. Антропогенні сукцесії обумовлені діяльністю людини.
Аутогенні сукцессии (самопороджується) виникають внаслідок внутрішніх причин (зміною середовища під дією спільноти). Алогенних сукцессии (породжені ззовні) викликані зовнішніми причинами (наприклад, зміна клімату).
Залежно від початкового стану субстрату, на якому розвивається сукцесія, розрізняють первинні і вторинні сукцесії. Первинні сукцесії розвиваються на субстраті, що не зайнятому живими організмами (на скелях, обривах, сипучих пісках, в нових водоймах і т.п.). Вторинні сукцесії відбуваються на місці вже існуючих біоценозів після їх порушення (у результаті вирубки, пожежі, оранки, виверження вулкана тощо).
У своєму розвитку екосистема прагне до стійкого стану. Сукцессіонние зміни відбуваються до тих пір, поки не сформується стабільна екосистема, яка виробляє максимальну біомасу на одиницю енергетичного потоку. Спільнота, що знаходиться в рівновазі з навколишнім середовищем, називається клімаксним.
Типи зв'язків і взаємин між організмами
Живі організми певним чином пов'язані один з одним. Розрізняють такі типи зв'язків між видами: трофічні, топічні, Форіческіе, Фабріческіе. Найбільш важливими є трофічні і топічні зв'язки, так як саме вони утримують організми різних видів один біля одного, об'єднуючи їх в співтовариства.
Трофічні зв'язки виникають між видами, коли один вид харчується іншими: живими особинами, мертвими залишками, продуктами життєдіяльності. Трофічна зв'язок може бути прямий і непрямої. Прямий зв'язок проявляється при харчуванні левів живими антилопами, гієн трупами зебр, жуків-гнойовиків послідом великих копитних і т.д. Непряма зв'язок виникає при конкуренції різних видів за один харчовий ресурс (див. Розділ «Трофічні ланцюги»).
Топічні зв'язки проявляються в зміні одним видом умов проживання іншого виду. Наприклад, під хвойним лісом, як правило, відсутня трав'янистий покрив.
Форіческіе зв'язку виникають, коли один вид бере участь в поширенні іншого виду. Перенесення тваринами насіння суперечка, пилку рослин називається зоохорія. а дрібних особин - Форез.
Фабріческіе зв'язку полягають в тому, що один вид використовує для своїх споруд продукти виділення, мертві залишки або навіть живих особин іншого виду. Наприклад, птиці при будівництві гнізд використовують гілки дерев, траву, пух і пір'я інших птахів.
Природні екосистеми - це відкриті системи: вони повинні отримувати і віддавати речовини і енергію. Запаси речовин, засвоювані організмами, в природі не безмежні. Якби ці речовини не використовувалися багаторазово, то життя на Землі було б неможливе. Такий вічний кругообіг біогенних компонентів можливий лише при наявності функціонально різних груп організмів, здатних здійснювати і підтримувати потік речовин, що витягають із навколишнього середовища.
Як правило, в будь-якій екосистемі можна виділити три функціональні групи організмів. Одні з них роблять про-продукцію, інші споживають, треті перетворять її у неорганічному-ську форму. Їх називають відповідно: продуценти, консументи і редуценти (рис. 4.4).
Мал. 4.4. Схема перенесення речовини (суцільна лінія) і енергії
(Пунктирна лінія) в природних екосистемах
Перша група організмів - продуценти (лат. Producers -соз-дає, що виробляє), або автотрофні організми (zp.autos - сам, trophe -їжа). Вони підрозділяються на фото- і хемоавтотрофов.
Фотоавтотрофи використовують як джерело енергії сонячне світло, а в якості поживного матеріалу - неорганічні речовини, в основному вуглекислий газ і воду. До цієї групи організ-мов відносяться всі зелені рослини і деякі бактерії (наприклад, зелені сірчані бактерії, пурпурні серобактерии). Як життє-діяльності вони синтезують на світлі органічні речовини - уг-леводи, або цукру (СН2 О) n. виділяючи при цьому кисень СО2 + Н2 О = (СН2 0) n + 02,
Хемоавтотрофи використовують енергію, що виділяється при хімічних реакціях. До цієї групи належать, наприклад, нитрифицирующие бактерії, що окислюють аміак до азотистої і потім азот-ною кислоти:
Хімічна енергія (Q), виділена при цих реакціях, використовується бактеріями для відновлення СО2 до вуглеводів.
Головна роль в синтезі органічних речовин належить зеле-ним рослинним організмам. Роль хемосинтезирующих бактерій в цьому процесі щодо невелика. Щороку фотосинтезуючими організмами на Землі створюється близько 150 млрд т органічного-го речовини, що акумулює сонячну енергію.
Друга група організмів - консументи (лат. Consume -потреб-лять), або гетеротрофні організми (гр. Heteros-другий, trophe - їжа), здійснюють процес розкладання органічних речовин.
Ці організми використовують органічні речовини як джерело і поживного матеріалу, і енергії. Їх ділять на фаготрофи (гр. Phagos -пожірающій) і сапротрофов (гр. Sapros -гнілой).
Фаготрофи харчуються безпосередньо рослинними або тваринними організмами.
Сапротрофи використовують для харчування органічні речовини мертвих залишків.
Третя група організмів - редуценти (лат. Reducens -возвращающій). Вони беруть участь в останній стадії розкладання - мінера-лізації органічних речовин до неорганічних сполук (СО2. Н2 0 і ін.). Редуценти повертають речовини в круговорот, перетворюючи їх у форми, доступні для продуцентів. До редуцентам відносяться головним чином мікроскопічні організми (бактерії, гриби і ін.).
Роль редуцентов в круговороті речовин надзвичайно велика. Без редуцентов в біосфері накопичувалися б купи органічних остат-ков; вичерпалися б запаси мінеральних речовин, необхідних продукції-центам.
Життя на Землі існує за рахунок сонячної енергії. Світло-єдиний на Землі харчової ресурс, енергія якого в з'єднань-ванні з вуглекислим газом і водою народжує процес фотосинтезу. Фотосинтезирующие рослини створюють органічну речовину, яким харчуються травоїдні тварини, ними харчуються м'ясоїдні і т. Д. В кінцевому підсумку рослини «годують» весь інший живий світ, т. Е. Сонячна енергія через рослини як би передається організмам.
Енергія передається від організму до організму, що створює їжі-ву або трофічну ланцюг: від автотрофів, продуцентів (творця-лей) до гетеротрофам, консументам (пожирачам) і так чотири-шість разів з одного трофічного рівня на інший.
Трофічний рівень -це місце кожної ланки в харчового ланцюга. Перший трофічний рівень - це продуценти. Всі інші рів-ні - консументи. Другий трофічний рівень -це растітельнояд-ні консументи; третій -плотоядние консументи, що харчуються рослиноїдних формами; четвертий -консументи, споживаю-щие інших м'ясоїдних і т. д. Отже, можна і консументів розділити за рівнями: консументи першого, другого, третього і т. д.
Чітко розподіляються за рівнями лише консументи, спеціалі-зірующіеся на певному виді їжі. Однак є види, які харчуються м'ясної і рослинною їжею (людина, ведмідь і ін.), Які можуть включатися в харчові ланцюги на будь-якому рівні.
Не можна забувати ще й мертву органіку, якою живиться зна-ве частина гетеротрофів. Серед них є і сапрофагі та САПР-фіти (гриби), що використовують енергію, укладену в детрит. По-цьому розрізняють два види трофічних ланцюгів: ланцюги виїданням, або пасовищні, які починаються з поїдання фотосинтезуючих організмів, що і детрітние ланцюга розкладання, які починаються з залишків відмерлих рослин, трупів і екскрементів тварин. По-цьому, входячи в екосистему, потік променевої енергії розбивається на дві частини, поширюючись по двом видам трофічних мереж, але джерелом-ник енергії загальний - сонячна (рис. 4.5).
Малюнок 4.5. Потік енергії через пастбищную харчовий ланцюг
(Всі цифри дані в кДж / м 2 · год)
Підтримка життєдіяльності організмів і круговорот віщо-ства в екосистемах, тобто існування екосистем, залежить від посто-янного припливу енергії, необхідної всім організмам для їх життє-діяльності і самовідтворення.
На відміну від речовини, безперервно циркулює по різних блоках екосистеми, які завжди можуть повторно використовуватися, входити в круговорот, енергія може бути використана один раз, т. Е. Має местолінейний потік енергії через екосистему (від автотрофів до гетеротрофів).
Односторонній приплив енергії як універсальне явище при-пологи відбувається в результаті дії законів термодинаміки.
Согласнопер-вому закону термодинаміки, енергія може перетворюватися з однієї форми (наприклад, світла) в іншу (наприклад, потенційну енергію пі-щі), але не може бути створена або знищена.
Відповідно до другого закону. не може бути жодного процесу, пов'язаного з перетворений-ням енергії, без втрат деякої її частини. Певне кількісних-під енергії в таких перетвореннях розсіюється в недоступну тепло-ву енергію, і, отже, втрачається. Звідси не може бути пре-обертань, наприклад, харчових речовин в речовину, з якого з-стоїть тіло організму, що йдуть зі 100-відсотковою ефективністю.
Таким чином, живі організми є перетворювачами енергії. Їжа, що поглинається консументами, засвоюється неповно-стю - від 12 до 20% у деяких рослиноїдних, до 75% і більше у м'ясоїдних. Енергетичні витрати пов'язані перш за все з під-триманням метаболічних процесів, які називають тратою на дихання. оцінюється загальною кількістю С02. виділеного орга-нізм. Значно менша частина йде на освіту тканин і не-якого запасу поживних речовин, т. Е. На зростання. Інша частина їжі виділяється у вигляді екскрементів. Крім того, значна частина енергії розсіюється у вигляді тепла при хімічних реакціях в організмі і, особливо, при активній м'язовій роботі. В кінцевому підсумку вся енергія, використана на метаболізм, перетворюється в ті-плов і розсіюється в навколишньому середовищі.
Отже, велика частина енергії при переході з одного трофічного рівня на інший, більш високий, втрачається. Наблизить-кові втрати становлять близько 90%: на кожен наступний рівень передається не більше 10% енергії від попереднього рівня. Так, якщо калорійність продуцента 1000 Дж, то при попаданні в тіло фітофага залишається 100 Дж, в тілі хижака вже 10 Дж, а якщо цей хижак буде з'їдений іншим, то на його частку залишиться лише 1 Дж, т. Е. 0,1% від ка-лорійності рослинної їжі.
Однак така сувора картина переходу енергії з рівня на уро-вень не зовсім реальна, оскільки трофічні ланцюги екосистем складність але переплітаються, утворюючи трофічні мережі. Але кінцевий результат: рас-сеіваніе і втрата енергії, яка, щоб існувало життя, повинна поновлюватися.
В результаті, харчові ланцюги можна представити у вигляді екологічних пірамід. Екологічна піраміда - графічні зображення співвідношення між продуцентами, консументами і редуцентами в екосистемі.
Правило екологічної піраміди - закономірність, згідно з якою кількість рослинної речовини, яка є основою ланцюга харчування, приблизно в 10 разів більше, ніж маса рослиноїдних тварин, і кожен наступний харчової рівень також має масу, в 10 разів меншу. Спрощений варіант екологічної піраміди наведено на рис. 4.6.
Мал. 4.6. екологічна піраміди
Приклад: Нехай одну людину протягом року можна прогодувати 300 форелями. Для їх харчування потрібно 90 тисяч пуголовків жаб. Щоб прогодувати цих пуголовків, необхідні 27 000 000 комах, які споживають за рік 1 000 тон трави. Якщо людина буде харчуватися рослинною їжею, то всі проміжні ступені піраміди можна викинути і тоді 1 000 т біомаси рослин зможе прогодувати в 1 000 разів більше людей.
Розрізняють три основних типи екологічних пірамід.
Піраміда чисел (піраміда Елтона) відображає зменшення чисельності організмів від продуцентів до консументів.
Піраміда біомас показує зміну біомас на кожному наступному трофічному рівні: для наземних екосистем піраміда біомас звужується догори, для екосистеми океану - має перевернутий характер, що пов'язано з швидким споживанням фітопланктону консументами.
Піраміда енергії (продукції) має універсальний характер і відображає зменшення кількості енергії, що міститься в продукції, створюваної на кожному наступному трофічному рівні.
Таким чином, життя може розглядатися як процес безперервного вилучення деякої системою енергії з навколишнього середовища, перетворення і розсіювання цієї енергії при передачі від однієї ланки до іншого.