Синекологія - наука про екосистеми. Екосистеми та їх характеристика

Основною (елементарною) функціональною одиницею біое- кології є екосистема. Екосистема - це єдиний природний комп­лекс, створений за довгий період живими організмами та середо­вищем, в якому вони співіснують, і де всі компоненти тісно пов’язані обміном речовин і енергії.

В екології розрізняють такі види екосистем:

- мікроекосистеми (наприклад, болітце, пеньок з гриба­ми тощо);

- мезоекосистеми (н-д, ділянка лісу, озеро);

- макроекосистеми (н-д, континенти, океани);

- глобальна екосистема - біосфера нашої планети.

Також виділяють такі типи екосистем:

- водна, суходільна;

- природна, антропогенна.

Часто екосистему ототожнюють з біогеоценозом. Але біоге­оценоз - це однорідна ділянка земної поверхні з певним складом живих організмів і неживих компонентів (ґрунт, атмосфера, во­да), поєднаних обміном речовин та енергії в єдиний природний комплекс. Поняття «екосистема» є більш загальним.

Біогеоценоз та екосистема мають такі структурні компонен­ти: біотоп та біоценоз.

Біотоп - це однорідний за абіотичними факторами середо­вища простір, зайнятий біоценозом; тобто біотоп - місце життя виду організмів.

Біоценоз - це спільнота організмів, що мешкають у межах одного біотопу. Залежно від місцевості, відношення до людської діяльності, ступеня насичення, повноцінності розрізняють біоце­нози: суші та води; природні та антропогенні; насичені та нена- сичені; повночленні та неповночленні.

Біоценоз = Фітоценоз + Зооценоз + Мікробіоценоз + Мікоценоз.

Фітоценоз - це сукупність популяцій усіх видів рослин.

Зооценоз - це сукупність усіх видів тварин.

Мікробоценоз - це сукупність усіх видів бактерій. Мікоценоз - це сукупність усіх видів грибів.

Наступним, не менш важливим поняттям, є ланцюг живлен­ня (трофічний ланцюг).

Монофаги (грець. monos - один + phagos - поїдати) жив­ляться одним видом їжі. Наприклад, колорадський жук, шиш­кар тощо.

Поліфаги (грець. роїу8 - багато) живляться різними організ­мами (н-д, лисиця, сорока, ведмідь). У природі харчові ланцюги тісно переплетені. Це сплетіння трофічних ланцюгів називається харчовою мережею.

Розрізняють ланцюги живлення:

- пасовиськ (від зеленої рослини до травоїдної тварини і далі - до хижаків, що поїдають рослиноїдних тварин);

- детритні (ланцюги розкладу від детриту через мікроор­ганізми до детритофагів і їх споживачів-хижаків).

Ефективність трофічних ланцюгів оцінюється величиною біомаси екосистеми та її біологічною продуктивністю. Біомаса - 44

це загальна маса особин одного виду, груп видів чи спільноти в цілому (рослини, тварини, мікроорганізми), що припадає на оди­ницю поверхні (об’єму), місця проживання (в сирому чи сухому вигляді). Вимірюється в кг/га, г/м² (м3) чи в Дж (одиницях енер­гії). Найбільшу біомасу на суші мають безхребетні та ґрунтові організми (біомаса дощових червів може сягати 1000-1200 кг/га). Близько 90 % біомаси біосфери припадає на біомасу наземних рослин, які за допомогою фотосинтезу - біосферного процесу - засвоюють вільну енергію та забезпечують існування усього жи­вого. Початком біологічного кругообігу речовин є фотосинтез. Механізм фотосинтезу детально ще й досі не вивчений. Найбіль­шою є біомаса тропічних лісів (до 1700 т/га), а найменшою - тро­пічних і субтропічних пустель (близько 2,5 т/га). Біомаса лугових степів становить близько 250 ц/га (наземна), лісової смуги (По­лісся) - до 3500-4000 ц/га (наземна), 960 ц/га (підземна).

Наземні рослини за масою майже в 100 разів перевищують масу наземних тварин, а маса травоїдних у стільки ж разів більша за масу хижаків.

Протягом останніх десятиріч дедалі найчастіше вживається термін «агроценоз». Агроценози - це молоді біоценози, що фор­муються сьогодні, для яких характерним є видова бідність і од­номанітність і які підтримуються людиною завдяки розробленій нею системі агротехнічних та агрохімічних заходів. Це - поля, городи, сади, підводні плантації мідій. Агроценози дають людст­ву близько 90 % продуктів харчування.

Агроценози - результат екстенсивного розорювання земель, неграмотних меліорацій, активного випасу худоби, вирубки лісів, суперхімізації земель, а також тривалого вирощування тих самих культур на одних і тих самих полях. Вони існують досить нетри­валий час: зернові агроценози - 1 рік; садові агроценози - 30-40 років.

У межах будь-якої екосистеми відбувається кругообіг речо­вин. Розрізняють біологічний (малий) і геологічний (великий) кру- гообіги речовин, а також кругообіги Н2О, Н2, СО2 - як найваж­ливіших, з екологічної точки зору, компонентів атмосфери, а та­кож кругообіги сірки, вуглецю, фосфору - як найважливіших життєвих речовин біосфери. Кругообіг речовин - це їх багатора­зова участь у природних процесах, що споконвічно відбуваються в геосферах. Важливу роль у кругообігу речовин, а точніше - хі­мічних елементів, відіграють живі організми, на що вперше звер­нув увагу франц. вчений Ж. Ламарк. Академік В.І. Вернадський дослідив це питання та сформулював основні закони біогеохіміч­ного кругообігу.

Малий (біологічний, біотичний) кругообіг має місце в межах малих екосистем, а великий (геологічний) кругообіг - у межах планети, між океанами і континентами.

СТРУКТУРИ ЕКОСИСТЕМ

Видова структура екосистем

Видове багатство екосистем однієї місцевості неоднакове. Наприклад, у ялинковому лісі - 10-20 видів квіткових рослин, а на сусідньому лузі - до 120 видів. Видовий склад дрібних організ­мів багатший за склад великих організмів. Так, видів гризунів у степу значно менше ніж видів ґрунтових кліщів. Звідси види роз­різняють - види-домінанти та види-едифікатори.

Види-домінанти (лат. dominantis - панівний) - це види, що переважають у рослинних асоціаціях. Популяції домінантних ви­дів панують в екосистемах. Як правило, види-домінанти станов­лять 5-10 % від загальної кількості видів у екосистемі. Однак во­ни утворюють 4/5 біомаси екосистеми. Рослин-домінантів виді­ляють поярусно.

Види-едифікатори (лат. edificator - будівельник) - це види, що мають велике значення у створенні біосередовища екосисте­ми, у формуванні структури біоценозу. Едифікаторами, як прави­ло, є рослини, інколи ґрунтові тварини. У фітоценозі може бути один або кілька едифікаторів. Вони впливають на реакцію ґрунту (наприклад, ялина робить її кислою) - збіднюють або збагачують його. Едифікатори одних рослин пригнічують розвиток, інших - сприяють. Наприклад, у соснових лісах едифікатором є сосна, на болотах - очерет, осоки тощо.

Просторова структура екосистем

Вертикальна просторова структура (ярусність) - це явище вертикального розшарування екосистеми на структурні частини (яруси). Формування ярусності рослин відбувається під дією гра­дієнта освітлення і факторів, пов’язаних з освітленістю, вологіс­тю, температурою. Завдяки ярусності збільшується кількість рос­лин на одиницю площі, повніше використовуються ресурси місця зростання, підвищується загальна продуктивність екосистеми. Наприклад, листопадні ліси України. Розрізняють яруси дерев першої величини (дуб, в’яз), другої (горобина, черемха), чагарни­ків (ліщина, жимолость), високих трав (борець, чистець), низьких трав (копитець), лишайників і мохів, а також близько шести пі­дземних ярусів.

Горизонтальна просторова структура (мозаїчність) - це нерівномірність у розподілі живих істот за біотипом (переважно залежить від ґрунтово-кліматичних умов). Існують такі рослини, що називають види-індикатори. Наприклад, якщо у лісі хвощ, па­пороть, дика редька - це свідчить про кислу реакцію ґрунту (ґру­нтового розчину). Дуб, акація, шипшина - показники нейтральної реакції. Солонець, різні види кураю - показники засоленості ґру­нту. Кожна така «пляма» має своєрідний рослинний покрив, на­селення, якість ґрунту, мікрорельєф. Діаметр такої плями сягає кількох метрів.

Функціональна структура екосистем

Даний тип структури екосистеми є досить важливим з точки зору взаємодії людини з навколишнім середовищем. Оскільки нехтування даними зв’язками є основною причиною зменшення біологічного різноманіття, а також розвитку екологічних проблем різного рівня.

Кожна екосистема поглинає і трансформує енергію, здійснює кругообіг хімічних елементів завдяки наявності в ній функціонально різних організмів - продуцентів, консументів, редуцентів.

Продуценти (організми-виробники) - рослини. У наземних екосистемах роль продуцентів виконують вищі рослини. Проду­центи лісових екосистем різні види хвойних і листяних дерев, чагарників, трав, мохів, лишайників, у степових екосистемах - різ­ні види трав, у водних - водорості.

Консументи діляться на 3 групи:

- консументи 1-го порядку — споживачі, що існують безпо­середньо за рахунок продуцентів (рослиноїдні тварини (корова, миша, заєць, карась тощо), а також тварини - паразити рослин);

— консументи 2-го порядку — споживачі, що живляться кон­сументами 1-го порядку (м’ясоїдні, що з’їдають рослиноїдних тварин, та паразити рослиноїдних - лисиця, сова, змія, щука, пе­чінковий сисун, сонечко семикрапкове);

- консументи 3-го порядку - живуть за рахунок консументів 2-го порядку (хижаки м’ясоїдні, що живляться м’ясоїдними (бу­рий ведмідь, тунець, кальмар, кашалот) та паразити консументів 2-го порядку).

Щоразу при переході від однієї ланки до іншої розсіюється близько 90 % енергії. Якщо допустити, що рослинне угруповання зафіксувало 1 % сонячної енергії, то рослиноїдні тварини 0,1 % цієї кількості, тобто 10 % енергії рослинної органічної маси. Хи­жак, що живиться травоїдними, одержує 0,01 %, хижак 2-го по­рядку - 0,001 %, консумент 3-го порядку - 0,0001 % засвоєної рос­линами сонячної енергії. Вченими було підраховано, що в ґрунти у вигляді мінеральних речовин потрапляє 1/10⁶ енергії Сонця. Ви- щевикладене в екології називають правилом 1 та 10 %: якщо продуценти засвоюють 1 % енергії Сонця, то кожен наступний клас живих організмів засвоює 10 % попереднього.

Рештки рослин і тварин та продукти їх метаболізму викорис­товують для живлення сапрофаги. Редуценти (деструктори) розк­ладають мертву органіку після сапрофагів, здійснюють постійну мінералізацію органіки і повернення хімічних елементів у неор­ганічний світ. Мінералізатори - останній, нижній щабель у кас­каді, за яким сонячна енергія тече, постійно зменшуючись. Міне­ралізатори завершують кругообіг елементів у екосистемі.

Екологічні піраміди. Трофічні взаємовідносини в екосис­темах відображають екологічні піраміди. Існує кілька типів екопі- рамід: живлення (піраміда біомаси, продукції), чисел, енергії.

Піраміда живлення відбиває співвідношення мас органіки. Наприклад, 80 300 кг люцерни потрібно для одержання 962 кг те­лятини, необхідної для досягнення хлопчиком маси 47,2 кг.

Піраміда чисел відображає кількість особин на кожному трофічному рівні ланцюга живлення. Наприклад, 20 млн рослин люцерни потрібно, щоб вигодувати 4,5 телят для харчування хлопчика до 12 років.

Піраміда енергій відображає співвідношення кількості енер­гії у їжі на кожному трофічному рівні. Наприклад, 6,3^х 10 кало-

4

рій (24,46*10 кДж) сонячної енергії потрібно для вироблення

7 4

люцерною органіки, що містить 1,49*10 калорій (6,26*10 кДж) енергії, необхідної для продукування телятини, що має 1,19*10 калорій (5 000 кДж). Ця енергія буде витрачена на ріст тіла хлоп-

9

чика, який матиме у 12 років 8,3*10 калорій (34,86 кДж) енергії.

Розвиток екосистем: сукцесії та екологічний клімакс

Екологічною сукцесією (лат. sucessio - зміна, послідовність) - називається зміна угруповань організмів і біотопу під впливом взаємодії організмів між собою та неживою природою. Приклад: занедбана ділянка у лісі заростає бур’яном, потім багаторічними травами, чагарником, а пізніше деревами. Так само - озеро перет­ворюється в болото. Це все приклади сукцесій. Сукцесії бувають автотрофні та гетеротрофні. Автотрофні - сукцесії, що викли­кані зміною автотрофного блоку. Сукцесія фітоценозу спричинює сукцесію зоо- і мікробоценозу.

Сукцесії із зміною рослинності поділяються на первинні та вторинні. Первинні сукцесії починаються на безжиттєвій ділянці, а вторинні - внаслідок зміни екоумов, спричиненої життєдіяльні­стю самого фітоценозу. Вторинні сукцесії, у свою чергу, поділя­ються за причинами виникнення на природні (внутрішні, зовніш­ні) й антропогенні.

Розглянемо для прикладу сукцесію під дією внутрішніх фак­торів на занедбаному полі пд.-приазовського степу:

1 стадія - польові бур’яни однорічники і дворічники;

2 стадія - через 2-4 роки з’являться кореневищні злаки (пи­рій повзучий, гострець гіллястий, буркун лікарський);

3 стадія - через 13-24 роки зростуть дернинні злаки (калерія струнка, типчак, ковили);

4 стадія - через 25-50 років розселяться характерні для сте­пу рослини. Тільки через 150-200 років степ і переліг стануть од­наковими.

Сукцесія під дією зовнішніх факторів зумовлена зміною клі­мату, ґрунту, діяльністю тварин, вітровалом, зсувом, пожежею. Наприклад, згорів ялинковий ліс. Спочатку з’являються рослини, потім - кущі, далі - листяні дерева, згодом - ялинки, які поступо- 50

во витіснять листяні, нарешті - ялинковий ліс, в якому зникнуть листяні дерева.

Сукцесія штучна (антропічна) - викликана діяльністю лю­дини. Прикладом штучної сукцесії є меліорація, будівництво ар­тезіанських колодязів, будівництво АЕС (ГЕС), посилене випа­сання худоби, надмірне удобрювання, забруднення пестицидами, гербіцидами, побутовими відходами, витоптування рослин людь­ми, вирубування лісу, пожежі. Наприклад, внаслідок надмірного випасання худоби у степу на пісках Нижнього Дніпра замість екосистеми степу виникла екосистема пісків, тому що зі зміною рослинності змінилось тваринне населення і ґрунт.

Гетеротрофна сукцесія - відбувається за участі лише гете- ротрофів. Це можливо лише там, де є накопичення органіки - у пні, поваленому дереві, буртах, річці, забрудненій органікою, тощо.

Екоклімакс - це стан стійкої рівноваги між живими угрупо­ваннями і середовищем системи; кінцевий результат сукцесій. Клімаксова екосистема перебуває в стані гомеостазу (грец. homeos - однаковий + statis - стан, нерухомість) - стані відносної динамічної рівноваги, сталості складу і властивостей. Найстабіль- нішою екосистемою на Землі є екосистема тропічного лісу. Вона залишається майже «незмінною» протягом останніх 20 млн років; ялинові, букові ліси, ялицеві діброви, ковилові степи існують у природі сотні тисяч років «не змінюючись».

2.2.2.