Вивчити екосистему через велику кількість змінних, що входять в її склад, дуже складно. Основні компоненти наземної і водної екосистем - це абіотичні речовини, продуценти, консументи і редуценти.
Абіотичні речовини - це неорганічні сполуки і окремі елементи, що не входять до складу живих або відмерлих організмів. Незначна кількість важливих елементів живлення знаходиться в розчиненої формі, доступній для живлення рослин та інших організмів. Решта ж, велика їх частина міститься у фіксованій формі.
Екосистеми дуже різноманітні. Їх склад залежить від багатьох факторів, в першу чергу від клімату, геологічних умов і впливу людини. Вони можуть бути автотрофними. якщо головну роль відіграють автотрофні організми - продуценти, або гетеротрофних. якщо їх роль незначна. Екосистеми можуть бути природними або створеними людиною - антропогенними (від грецьких слів антропосе - людина і генезис - походження).
Природні (природні) екосистеми формуються під впливом природних факторів, хоча людина може впливати на них. У лісі людина заготовляє деревину і полює, на степовому пасовище пасе худобу, в водоймах ловить рибу. Він може забруднювати атмосферу, грунт, воду. Однак вплив людини в цих екосистемах менше, ніж вплив природних факторів.
Антропогенні (штучні) екосистеми створюються людиною в процесі господарської діяльності. Їх приклади: сільськогосподарські ландшафти з посівами і стадами худоби, міста, лісопосадки, морські "городи" з водоростей ламінарії і "ферми" устриць або морського гребінця. До складу антропогенних екосистем можуть входити збереглися більш дрібні природні екосистеми (ліс або озеро на території сільськогосподарської екосистеми, лісопарк в місті).
Існують екосистеми, перехідні між природними і штучними, наприклад, екосистема природних напівпустельних пасовищ Калмикії зі стадами сільськогосподарських тварин.
І природні, і антропогенні екосистеми розрізняються за джерелом енергії, який забезпечує їх життєдіяльність.
Автотрофні екосистеми знаходяться на енергетичному самозабезпеченні і поділяються на фотоавтотрофні - споживають сонячну енергію за рахунок продуцентів - фотоавтотрофов і хемоавтотрофні - використовують хімічну енергію за рахунок продуцентів - хемоавтотрофов. Велика частина екосистем, в тому числі і сільськогосподарські, є фотоавтотрофної. В сільськогосподарські екосистеми людина вносить енергію, яка називається антропогенним (добрива, пальне для тракторів і т.д.). Але її роль мало в порівнянні з використовуваної екосистемою сонячної енергією.
Природні хемоавтотрофні екосистеми формуються в підземних водах. Антропогенні хемоавтотрофні екосистеми людина створює з мікроорганізмів в деяких біологічних очисних спорудах для очищення води від неорганічних забруднювачів.
Гетеротрофні екосистеми використовують хімічну енергію, яку отримують разом з вуглецем від органічних речовин, або енергію створених людиною енергетичних пристроїв.
Приклад природної гетеротрофною екосистеми - екосистема океанічних глибин, куди не доходить сонячне світло. Тварини і мікроорганізми, що входять до неї, існують за рахунок "живильного дощу" - трупів і залишків організмів, що падають на дно з освітленій сонцем автотрофної океанічної екосистеми. Існують гетеротрофні екосистеми і високо в горах, де мікроскопічні кліщі харчуються залишками рослин, які приносить вітер.
Антропогенні гетеротрофні екосистеми дуже різноманітні. Це, по-перше, міста і промислові підприємства. Енергія в них надходить по лініях електропередач, по трубах нафто- і газопроводів, в цистернах автомашин і залізничних вагонах. Надходять в місто і сировину для роботи промислових підприємств, і продукти харчування для городян. Якась кількість сонячної енергії міська екосистема отримує завдяки зеленим рослинам, але воно мізерно мало в порівнянні з енергією, яку місто отримує ззовні.
Зупинимося на таких прикладах природних екосистем, як ставок, луг, водозбірний басейн. Біологічне різноманіття в них не настільки велика, і тому легше побачити невіддільність живих організмів від неживої природи.
Ставок і луг. Рослини, тварини і мікроорганізми, які живуть в цих екосистемах, впливають на хімічний склад води, ґрунту і повітря.
Ставок, озеро або луг, як і інші екосистеми, є рівноважні системи, що складаються з різних елементів.
Швидкість і інтенсивність переходу абіотичних речовин з доступних форм в недоступні і назад залежить від ряду кліматичних факторів-надходження сонячної енергії, температурного циклу, кількості опадів, довжини світлового дня і інших кліматичних умов, які надають регулюючий вплив на функціонування екосистеми.
Продуценти водної екосистеми поділяються на два типи:
великі вкорінені або плаваючі рослини -макрофіти (зазвичай вони живуть на мілководді, в освітленій зоні);
дрібні плаваючі рослини, головним чином водорості, що знаходяться в товщі води, які називаються фітопланктоном (від грец. phyton - рослина, plankton - блукаючий). Вони поширені в товщі води на глибині проникнення світла. При великій кількості фітопланктону вода має зелений колір.
У великих глибоких водоймах фітопланктон грає набагато більшу роль в
виробництві їжі для всієї екосистеми, ніж вкорінена рослинність. У наземних спільнотах, навпаки, - більше органічної продукції дають макропродуценти.
Консументів можна розділити на два види - первинні і вторинні. Первинні консументи, або травоїдні тварини харчуються живими рослинами і їх частинами. У ставку зустрічаються два типи первинних макроконсументов. зоопланктон (тваринний планктон) і бентос (донні форми). У лугопастбіщних екосистемі рослиноїдні тварини також діляться на дві групи: великі травоїдні ссавці і гризуни; рослиноїдні комахи та інші безхребетні.
Вторинні консументи або м'ясоїдні, харчуються первинними консументами (в разі, якщо в якості їжі вони споживають інші вторинні консументи, їх називають третинними). В екосистемі ставка ця комаха, павуки і хижі риби, в лугових екосистемах - ссавці, птахи і т. Д.
З консументов важливе значення мають також детритофаги, які існують, використовуючи в їжу органічний детрит, що надходить з верхніх автотрофних ярусів.
До сапротрофного організмам відносяться бактерії і гриби. Вони поширені повсюдно, але особливо численні на поверхні розділу мулу і води. Більшість сапрофитов поселяється тільки на мертвих організмах, але деякі можуть поселятися і на живих, викликаючи у них хвороби. Існує також група мікроорганізмів, які утворюють з рослинами взаємовигідні асоціації.
При сприятливих температурних умовах перші стадії розкладання проходять швидко: мертві тварини і рослинні залишки розкладаються на більш прості сполуки. Деякі з містяться в них елементів живлення вивільняються, вилуговуються і можуть бути використані повторно. Стійка частина органічних сполук (целюлоза, лігнін, гумус і д.р.) розкладається слабо, завдяки якій створюються умови для росту рослин.
Структурна і функціональна організація водних і наземних екосистем багато в чому схожа, проте вони відрізняються видовим складом та розмірами трофічних компонентів. Наземні автотрофи зазвичай не такі численні, як водні, але значно перевершують останніх не тільки розмірами окремих особин, але і виробленої біомасою на одиницю площі, тобто продукцією.
Значну частину енергії наземні автотрофи використовують на побудову опорних тканин, що підтримують рослини в вертикальному положенні. Опорні тканини складаються з целюлози і лігніну, які слабо розкладаються мікроорганізмами.
Завдяки масивній структурі наземні рослини створюють велику кількість сталого волокнистого детриту (листовий опад, деревина), який накопичується в гетеротрофну ярусі. У водній системі детрит складається з дрібних частинок, які легше розкладаються і споживаються тваринами.
У наземних екосистемах значна частина сонячної енергії витрачається на випаровування води і лише невелика її частина (близько 1%) фіксується в процесі фотосинтезу. Роль випаровування і підтримки температурного режиму в водних і наземних екосистемах неоднакова.
Водозбірний басейн. Ставок і луг на перший погляд здаються автономними, проте це відкриті системи, що входять в якості складових частин в більші системи водозбірних басейнів. Стабільність і функціонування екосистем в значній мірі визначається швидкістю припливу і відпливу води, речовин і організмів між частинами водозбірного басейну.
Органічні забруднення водойм, обумовлені діяльністю людини, призводять до так званої "культурної" евтрофікації - підвищення біологічної продуктивності водних об'єктів в результаті накопичення в воді біогенних елементів. Так, при безперервній обробці грунту ерозія збіднює поле, але може викликати евтрофікацію водойм, розташованих вниз за течією.
Тому з урахуванням інтересів людини мінімальної одиницею екосистеми слід вважати площа водозбірного басейну, а не якусь ділянку суші або водойму. Така одиниця зручна для планування, прогнозування та регулювання впливу на природні об'єкти, так як складові водозбірного басейну (луг, ліс, місто, водоймище і ін.) Взаємодіють між собою і утворюють одиницю екосистемного рівня.
Концепція водозбірного басейну дозволяє більш достовірно оцінювати стан екосистеми і приймати рішення, максимально спрямовані на її збереження.
Крім природних, виділяють і штучні екосистеми.
Мікроекосистеми - це невеликі автономні "світи", або мікрокосм, які в певній мірі можуть імітувати в мініатюрі природу різних екосистем. Мікроекосистеми зазвичай використовуються в дослідницьких цілях. Їх будують у вигляді частково закритих систем (наприклад, акваріум), де створені умови, при яких відбувається газообмін з атмосферою, але не відбувається обміну біогенними елементами і організмами, у вигляді повністю відкритих систем, з регульованим припливом і відтоком біогенних елементів і організмів. Перевагою мікрокосмів є те, що в них можна створити строго контрольовані умови проведення експериментів.
Можна виділити два види біологічних мікросистем.
Мікросистеми першого типу - це, по суті, "спрощена" природа, в якій вивчаються мікроорганізми, здатні витримати створені умови протягом усього експерименту. Ці системи спрощено імітують певні ситуації.
Мікросистеми другого типу відрізняються підбором ретельно вивчених компонентів і використовуються для вивчення харчування, біохімії та інших аспектів життя окремих видів і штамів.
При проведенні екологічних досліджень використовуються штучні басейни, різні посудини місць проживання, які займають проміжне положення між мікрокосмом і реальними умовами.
Лабораторні і внелабораторних модельні екосистеми використовуються для приблизного або попередньої оцінки впливу забруднень і інших експериментальних впливів, пов'язаних з діяльністю людини, а також для перевірки різних екологічних гіпотез, розроблених на основі спостережень в природі.
Місто як гетеротрофну система. Місто, особливо промисловий, - це не повна гетеротрофну система, яка отримує енергію, їжу, воду, різні матеріали з великих площ, що знаходяться за його межами. Від природного гетеротрофною екосистеми місто відрізняється наступним:
набагато більш інтенсивним метаболізмом на одиницю площі, для чого потрібен великий приплив концентрованої енергії ззовні;
великими потребами в надходженні речовин ззовні;
потужнішим і більш отруйним потоком відходів, багато з яких - синтетичні сполуки, більш токсичні, ніж вихідна сировина. У зв'язку з цим для системи міста середовище на вході і виході значно важливіше, ніж для будь-якої автотрофної системи, наприклад, ліси.
Для поліпшення середовища проживання людини створюється "зелений пояс", що включає в
себе автотрофний компонент: дерева, чагарники, трав'яні газони, озера і ставки. Органічна продукція, отримана з цього компонента, не грає помітної ролі в житті міста. Без надходження їжі, пального, електрики і води місто приречений.
Зростання міст і швидка урбанізація території змінили нашу планету, ймовірно, більшою мірою, ніж інші види діяльності людини. Площа суші, зайнята містами в різних районах світу, становить від 1 до 5%. Впливаючи на великі середовища на вході і виході, місто в значній мірі змінює природу і надає опосередкований вплив на території, що знаходяться на значній відстані від нього. Наприклад, попит на продукцію, вироблену з лісу, змушує вирубувати великі лісові масиви.
На одиницю площі місто споживає значно більше енергії, ніж сільська місцевість. Тепло, пил та інші речовини, які утворюються в результаті функціонування міста, забруднюють повітря і помітно змінюють клімат. Як правило, в містах тепліше, вище хмарність, менше сонячного світла, більше мряки і туману, ніж в прилеглій сільській місцевості.
Слід врахувати, що функціонування міст позначається на забрудненні атмосфери і води навіть на значній відстані від них.
Місто, як правило, не виробляє або майже не виробляє їжу або інші органічні речовини. Говорячи про місто як про екосистему, не можна обмежуватися межами його забудови, необхідно враховувати великі середовища на вході і виході.