1. Общее понятие об экосистемах

Экосистема (от греч. oikos - жилище, местопребывание и система) - единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания (атмосфера, почва, водоем, лес, луг, болото, море, океан и т.п.), в котором живые и косные компоненты связаны между собой обменом вещества и энергии. Понятие экосистема применимо к природным объектам различной сложности и размеров: океан или небольшой пруд, тайга или участок березовой рощи. Термин “экосистема” ввел английский фитоценолог А. Тенсли (А.Tansley, 1935). Часто термины “экосистема” и “биогеоценоз” употребляют как синонимы. Экосистема - одно из ключевых понятий современной биологии. Так называют целостный природ­ный комплекс, образованный живыми организмами и неживой средой их оби­тания (почвой, водой, климатом). Экосистемой является и озеро, и океан, и тайга, и даже небольшой домашний аквариум (искусственная экосистема). Все растения, входящие в экосистему, именуются фитоценозом, все животные - зооценозом. Вместе животные, растения, грибы и микроорганизмы экосистемы образуют биоценоз.

Живые организмы в экосистеме обмениваются веществом и энергией. Между ними возникают пищевые цепи (цепи питания) - т. е. вза­имоотношения «пища - потребитель». Полученная энергия переходит от растений к растительноядным животным, а от них - к плотоядным животным. Таким образом, в пищевой цепи возникает несколько звеньев, или уровней.

Продуценты (лат. «производящий», «создающий») - автотрофные организ­мы, создающие органическое вещество из неорганического (см. Автотрофы). Эсновные продуценты на Земле - зелёные растения, синезелёные водоросли и некоторые бактерии. Продуценты составляют основу любой цепи питания, её первое звено.

Первичные консументы - это растительноядные животные (фитофаги), по­требители готового органического продукта.

Плотоядные животные (хищники) - третий уровень в пищевой цепи, вторичные консументы. Они поедают растительноядных животных.

Кроме того, в пищевые цепочки обычно входят редуценты - грибы и микро­организмы, которые питаются остатками других организмов. Они разрушают мёртвое органическое вещество, разлагают его на более простые соединения. Пищевая цепь чаще всего включает от 2 до 5 уровней. Это связано с тем, что на каждом уровне теряется и расходуется около 80-90% полученной энергии. Поэтому лишь небольшая часть энергии может достигать верхних уровней. Потоки энергии на каждом следующем уровне уменьшаются в несколько раз. Эта закономерность носит название правила экологической пирамиды. В лю­бой реальной экосистеме существует не одна, а множество пищевых цепей. Соединяясь, они образуют сложную сеть питания.

В понятие экосистема входят и другие определения, важные для понимания сложной и целостной природы экосистемы.

Экосистема человека - система, включающая людей, сельскохозяйственные растения и домашних животных.

Экосправедливость - справедливое участие в распределение экологических благ и ресурсов и справедливый доступ к ним.

Экосфера – биологическая система, включающая живые организмы и окружающую среду, в которой они взаимодействуют друг с другом.

Экотип (от греч. oikos - жилище, местопребывание и тип) – группа однородных популяций, однородных популяций в пределах одного и того же вида растений, у которых в процессе приспособления к условиям местообитания выработались наследственно закрепленные морфологические, физиологические, биохимические и др. особенности. Чем обширнее ареал вида и разнообразнее экологические условия, тем больше у него число экотипов (напр., у сосны обыкновенной выделяют 36 экотипов). Экотип это наследственно устойчивая форма данного вида, свойственная определенным почвенно-климатическим условиям внутри его ареала и приспособленная отбором к существованию в этих условиях. Экотип это единица эколого-географической систематики культурных растений.

Экотон – переходная полоса между легко физиологически отличимыми сообществами (напр., опушка леса). Экотон обычно населен организмами значительно гуще, чем сами контактирующие сообщества.

Экотоп - местообитание биогеоценоза, сообщества. Термин близкий к биотопу, но с подчеркиванием внешних по отношению к сообществу факторов среды.

Биосфера. Все живые организмы планеты объединяются в биосферу - гло­бальную экосистему Земли. В неё входит и вся неживая физическая среда, с ко­торой они взаимодействуют. Биосфера охватывает моря, реки, океаны - гидро­сферу планеты, в атмосферу простирается на высоту в 20-25 км, и в глубь ли­тосферы — на 2-3 км. Впервые понятие «биосфера» ввёл в 1875 г. австрийский учёный Э. Зюсс. Создателем современного учения о биосфере является русский и советский учёный Владимир Иванович Вернадский (1863-1945). Для всех живых организмов биосферы он предложил название «живое вещество». Со­гласно учению Вернадского, живые организмы проявляют себя как геохимиче­ский фактор всепланетного масштаба. С появлением человека и развитием ци­вилизации стала формироваться ноосфера («сфера разума»). Появление ноосфе­ры означает, что биосфера перешла в новое состояние, при котором разумная деятельность человека становится решающим фактором её развития.

Круговорот веществ. Между неживой природой и живыми организмами по­стоянно происходит обмен веществ. Когда организмы погибают, их вещества возвращаются в окружающую среду. Эти повторяющиеся природные процессы носят название биогенного круговорота веществ. В общем круговороте ве­ществ выделяют круговорот воды, газов, химических элементов и т. д. Напри­мер, углерод поступает в биосферу из атмосферы благодаря процессам фото­синтеза. Ежегодно зелёные растения извлекают из атмосфе­ры более 45 млрд. тонн углерода. Часть его возвращается в атмосферу в ходе процессов дыхания. Другая часть переходит в организмы животных, грибов и других гетеротрофных организмов и позднее - тоже возвращается в атмосфе­ру. Наконец, некоторая часть углерода миллионы лет сохранялась в составе за­лежей полезных ископаемых - каменного угля, нефти, торфа. Техническая цивилизация человека требует сжигания огромного количества нефти и угля. Углерод из них переходит в атмосферу. Повышение содержания углерода в ат­мосфере может вызвать резкое потепление климата на Земле, таяние полярных льдов, катастрофическое затопление морских побережий и т. д. Некоторые учёные предположили, что подобный процесс уже начался (гипотеза парнико­вого эффекта).

Влияние человека на биосферу (антропогенное влияние) зача­стую оказывается неблагоприятным для самого человека. Так, атмосфера за­грязняется радиоактивными веществами в результате испытаний ядерного оружия и аварий на атомных объектах (крупнейшая авария произошла в 1986 г. на Чернобыльской атомной электростанции). Несвойственные биосфере хи­мические вещества - в том числе ртуть, свинец и др. - также поступают в ок­ружающую среду в результате деятельности человека. Передаваясь по цепям питания, эти ядовитые вещества оказываются в пище самих людей.

Занимаясь сельским хозяйством, человек создаёт искусственные экосисте­мы - агроэкосистемы. В таких экосистемах, как правило, преобладает одно полезное для человека культурное растение. Посев одних и тех же культур в течение ряда лет нередко приводит к истощению почв, их разрушению ветром и водой (эрозии). Неправильное орошение вызывает засоление или заболачи­вание почв.

Смена экосистем. Экосистемы могут сменять друг друга в определённой пос­ледовательности. Например, скалы, потоки вулканической лавы в первую оче­редь заселяются наиболее неприхотливыми растениями- лишайниками и мхами. Вслед за ними на смену приходят различные травянистые растения и по мере накопления почвы - кустарники и деревья. Соответственно изменению растительности изменяется и видовой состав оби­тающих в экосистеме животных. Рано или поздно экосистема достигает опре­делённого равновесия, и без вмешательства извне резких изменений в ней происходить не будет.

Элементы и вещества живых организмов. По своему составу живые клетки всех организмов резко отличаются от неживого вещества Земли. Кроме кис­лорода (около 30%), неживые объекты нашей планеты составляют в основном железо (34%), кремний (15%), магний (около 13%). В составе живых клеток четыре главных элемента (более 98% массы) - кислород, водород, углерод и азот. Особую роль в существовании жизни играет углерод, атомы которого мо­гут образовывать длинные разветвлённые цепи. Эти цепи, разнообразие кото­рых бесконечно, являются «скелетами» для всех сложных органических ве­ществ. Восемь следующих по важности элементов (менее 2% массы организ­мов) - натрий, калий, сера, хлор, фосфор, кальций, железо, магний. На ос­тальные элементы (микроэлементы) приходится до 0,02% массы живых орга­низмов. Всего в составе живых организмов встречается свыше 70 химических элементов. Особенно характерно, что по химическому составу живые клетки разнообразных организмов весьма сходны между собой. В них встречаются одни и те же основные элементы, близкие по строению или одинаковые хи­мические вещества. Это служит доказательством родства всех живых существ, населяющих Землю.

Неорганические вещества организмов. Самое распространённое вещество в составе живых организмов - вода. В среднем в клетках её около 80%, в неко­торых организмах - до 98%. Вода, как растворитель, обеспечивает протекание большинства химических реакций в организме. Для жизни необходимы и ми­неральные соли. Нерастворимые соли часто составляют твёрдый скелет орга­низмов.

Органические вещества. Органические вещества в среднем составляют от 20 до 30% массы живого. Это в основном белки, жиры (липиды), углеводы и нук­леиновые кислоты.

Белки. Все молекулы белков - очень сложные органические цепочки, состо­ящие из сотен и тысяч отдельных звеньев - аминокислот. В белках всех живых организмов встречается только 20 аминокислот. Высокая сложность строения позволяет белкам исполнять в организме самые разнообразные функции.

Основные функции белков: 1. Строительная - белки являются важнейшей со­ставной частью всех частей организма. 2. Ферментативная - белки участвуют в регулировании биохимических реакций, необходимых для жизни организма. 3. Дви­гательная - белки обеспечивают сокращение мышечных волокон и иные фор­мы движения организма. 4. Транспортная - белки переносят различные веще­ства внутри организма. 5. Энергетическая - белки служат источ­ником энергии для организмов. 6. Защитная - белки распознают и уничтожа­ют опасные для организма вещества.

Нуклеиновые кислоты. Основные типы нуклеиновых кислот - ДНК (дезокси-рибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Молекулы ДНК и РНК - сложные органические цепочки, состоящие из сотен и тысяч звень­ев - нуклеотидов. Молекулы ДНК хранят и передают из поколения в поколе­ние наследственную информацию о строении всех белков организма. В цепоч­ке ДНК встречаются звенья - нуклеотиды - только четырёх типов. Они содер­жат одно из следующих азотистых оснований - аденин, тимин, цитозин или гуанин. Для краткости их обозначают начальными прописными буквами: А, Т, Ц и Г. С помощью этого четырёхбу­квенного «алфавита» в ДНК записана вся наследственная информация о стро­ении и функционировании организма. Сохранность и воспроизведение этой информации обеспечивается особым строением молекулы ДНК. Она состоит из двух соединённых между собой цепочек. Их звенья всегда соединены попар­но - А с Т, Г с Ц. Эта способность соединяться попарно называется комплементарностью. На каждой из цепочек может быть достроена парная ей цепочка. В РНК также встречается четыре типа нуклеотидов, содержащих аденин, цитозин, гуанин и урацил (вместо тимина). Для краткости их также обозначают А, У, U и Г. В отличие от ДНК, молекула РНК обычно состоит из одной цепоч­ки. РНК переносит информацию о строении белков (информационная РНК), а также участвует в их «сборке» из аминокислот (транспортные РНК).

Углеводы - органические вещества, имеющие общую формулу С_/7(Н₂О)_m. Среди углеводов - глюкоза, сахароза, целлюлоза, крахмал, гликоген, хитин. Они выполняют следующие функции: строительную - углеводы образуют жё­сткие клеточные стенки растений (целлюлоза) и грибов (хитин), а также твёр­дый скелет некоторых организмов (хитин у членистоногих); энергетическую - расщепляясь, углеводы служат источником энергии для организмов.

Липиды. Одно из важных свойств жиров - нерастворимость в воде. При разложении жиров выделяется вдвое больше энергии, чем при разложении белков. Эти качества обусловили основные функции липидов в организме: строительную - липиды служат основой клеточных мембран; энергетиче­скую - расщепление жиров служит источником энергии для организмов.

АТФ. В каждой клетке в среднем имеется до миллиарда молекул АТФ - аде-нозинтрифосфорной кислоты. Отщепляя молекулу фосфорной кислоты и рас­падаясь до АДФ (аденозиндифосфорной кислоты), АТФ обеспечивает клетку энергией. Из АДФ может с затратой энергии восстановлена АТФ. Энер­гетическое преимущество АТФ по сравнению с более громоздкими молекула­ми белков, углеводов и др. заключается в лёгкости извлечения энергии из АТФ, компактности молекул АТФ. АТФ служит энергетическим источником клетки. При разложении белков, углеводов, липидов клетка синтезирует запас АТФ, который постоянно расходуется и пополняется.

Эукариоты (ядерные) - организмы, имеющие в клетках оформленное ядро, отделённое от цитоплазмы ядерной оболочкой. К эукариотам относятся про­стейшие, животные, растения и грибы.

Основная категория биологической систематики - вид. Каждый вид (на­пример, Человек разумный - Homo sapiens) имеет двойное латинское назва­ние, состоящее из родового и видового имён. Родовое имя пишется с заглав­ной буквы, видовое - со строчной.

Кроме основной категории - вида - существуют более мелкие, внутривидо­вые категории (подвид, разновидность) и более крупные - род, семейство, класс, тип и др.

Основные таксономические категории следующие: царство (regnum), тип (phylum), подтип (subphylum), класс (classis), подкласс (subclassis), отряд (у растений - порядок) (ordo), подотряд (subordo), семейство (familia), подсемейство (subfamilia), род (genus), подрод (subgenus), вид (species), подвид (subspecies), разновидность (varietas), форма (forma)