Экосистема

Категории Экология | Под редакцией сообщества: Биология

Экосистема – совокупность разных организмов и компонентов окружающей их среды, взаимосвязанных потоками вещества и энергии. Примерами экосистем могут быть: участок леса, озеро, пруд, лужа на лесной дороге, гниющий пень. Несмотря на то, что перечисленные объекты имеют разные размеры и различаются продолжительностью своей «жизни», все они имеют какие-то пространственные границы и характеризуются определенной целостью. В экосистему входят организмы разных трофических уровней: например, растения, растительноядные животные, хищники, деструкторы (разрушители органического вещества). Они играют разные роли в процессах трансформации вещества и энергии, но все они вместе с окружающей их средой, связаны в единое целое, образуя некую систему, отличную от других аналогичных систем. Экосистема – одно из основных понятий современной экологии, используемое прежде всего при изучении процессов создания органического вещества ( продукции) и его разрушении – деструкции.

↑История использования

Термин «экосистема» был предложен одним из основоположников современной экологии, британским исследователем, специалистом по растительным сообществам Артуром Тенсли (Arthur Tansley) в 1935 г. в статье, опубликованной в журнале Ecology. Обсуждая правомерность применения тех или иных терминов, используемых при изучении растительного покрова, Тенсли обратил внимание на то, что нет подходящего наименования для совокупности совместно обитающих организмов, рассматриваемых вместе с непосредственно окружающей их средой. Ключевым, по его мнению, должно быть понятие системы, примерно в том смысле, как оно использовалось в то время в физике. Комплекс разных организмов и комплекс компонентов среды обитания (биотопа) должны, как подчеркивал Тенсли, рассматриваться в качестве единого целого, которое и можно назвать экосистемой. Он полагал также, что экосистемы могут быть разного размера и разной степени целостности.

Спустя семь лет после выхода статьи Тенсли, в том же журнале Ecology была опубликована статья молодого, но, к сожалению, скончавшегося к тому моменту, исследователя Раймонда Линдемана (Raymond Lindeman) «Трофо-динамический аспект экологии», в которой экосистема определялась как «система физико-химико-биологических процессов, протекающих в некотором участке пространства-времени любого масштаба». Использование термина «экосистема» в современной экологической литературе как раз соответствует данному определению.

Возможность применения понятия «экосистема» к объектам очень разного масштаба, иногда подвергалась серьёзной критике. Так, наш соотечественник, Владимир Николаевич Сукачёв полагал, что гораздо лучше предложенный им термин «биогеоценоз», под которым он понимал всегда конкретный участок поверхности суши с характерным для него растительным сообществом (фитоценозом), почвенным покровом, гидрологическим режимом и всем набором живых организмов, занимающих разные трофические уровни (включая растения, животные, грибы и бактерии).

Исследования, которые мы теперь бы назвали экосистемными, на самом деле начались задолго до того, как был предложен термин «экосистема». Речь идёт прежде всего о работах гидробиологов, изучавших превращение энергии и круговорот вещества в озёрах. В частности, Эдвард Бёржд еще в первые годы 20-го века оценивал интенсивность «дыхания озёр» - соотношение процессов поглощения и выделения кислорода в толще озера. Очевидно, что эти процессы могут происходить как за счет физико-химических механизмов, так и за счет физиологической активности организмов – фотосинтеза планктонных водорослей (при этом кислород выделяется) и дыхания всех организмов (при этом кислород потребляется). В начале 1930-х годов на Косинской лимнологической станции под Москвой по инициативе Леонида Леонидовича Россолимо развивался так называемый «балансовый» (теперь бы мы сказали - экосистемный) подход к изучению озер. В рамках этого подхода Георгий Георгиевич Винберг впервые в мире оценил первичную продукцию фитопланктона – первого трофического звена озёрной экосистемы.

Количественное изучение потоков вещества и энергии в наземных экосистемах началось значительно позже – в начале 1960-х годов. Такое отставание объясняется в первую очередь тем, что на суше значительно сложнее, чем в водной среде оценить интенсивность процессов создания (продукции) и разрушения (деструкции) органического вещества.

↑Современные исследования

Изучение экосистем в настоящее время направлено прежде всего на выявление того, как происходит в них круговорот основных химических элементов, используемых живыми организмами – углерода, кислорода, азота, фосфора, серы, железа и некоторых других. Конечно, далеко не все эти элементы совершают полный круговорот в пределах одной экосистемы. Экосистемы всегда в той или иной мере открыты, причем не только по энергии, но и по веществу. Однако исследователей всегда интересует, что находится на входе в систему, а что на выходе.

Источником энергии для подавляющего большинства экосистем служит солнечный свет, используемый организмами фототрофами. На суше это зелёные растения, в океане – микроскопические планктонные водоросли (обладающие хлорофиллом протисты) и цианобактериями. Кроме того, существует еще несколько небольших групп бактерий, осуществляющих так называемый аноксигенный фотосинтез (т.е. тот который не сопровождается выделением кислорода). В настоящее время их роль в общем балансе органического вещества ничтожна, но на заре развития биосферы они имели, видимо, очень важное значение. Другой источник энергии для экосистем – это осуществляемый некоторыми бактериями хемосинтез, или используя современный, более точный термин, хемолитоавтотрофия. Суть хемосинтеза (процесса, открытого российским исследователем Сергеем Николаевичем Виноградским) – получение организмом энергии за счет окислительно-восстановительных реакций, проводимых самим этим организмом с простыми (неорганическими) веществами. Примерами таких реакций может быть окисление аммония до нитрита, или двухвалентного железа до трёхвалентного, сероводорода до серы, и т.п.. Способны к хемосинтезу только определенные группы прокариот (бактерий в широком смысле слова). За счёт хемосинтеза в настоящее время существуют только экосистемы некоторых гидротермалей (мест на дне океана, где есть выходы горячих подземных вод, богатых восстановленными веществами – водородом, сероводородом, сульфидом железа и т.п.), а также крайне простые, состоящие только из бактерий, экосистемы, обнаруженные на большой глубине в разломах горных пород на суше.

Процессы, происходящие в тех или иных экосистемах, необходимо знать также для того, чтобы оценить роль экосистем такого типа в масштабе всей биосферы. К примеру, большое внимание экологи уделяют сейчас экосистемам влажных тропических лесов, которые называют лёгкими планеты, поскольку будучи самыми продуктивными в мире экосистемами, они связывают огромное количество углекислого газа (СО₂), выделяя при этом адекватное количество кислорода. Для оценки процессов связывания СО₂ (в ходе фотосинтеза растений) и его выделения (в ходе дыхания всех организмов тропического леса) используют специальные датчики, которые круглосуточно измеряют содержание этого газа в лесу, причем на разной высоте. Поскольку ночью происходит только дыхание, а днем – и дыхание и фотосинтез, то по динамике изменений содержания углекислого газа в воздухе можно рассчитать баланс потребления и выделения углерода тропическим лесом.

Детальные наблюдения во многих местах тропического леса в бассейне Амазонки показали, что в более влажные годы эти леса работают как места связывания (« стока») углерода, но в сухие годы выделение углекислого газа превышает его связывание и леса начинают выделять в атмосферу больше углерода, чем поглощать его (т.е. работают как «источник»). Параллельно с наблюдениями за динамикой углекислого газа в атмосфере, исследователи оценивают также накопление углерода в органическом веществе почвы. Показано, что в случае пожаров, а также массового сведения тропических лесов под сельскохозяйственные угодья, дороги и поселки, начинается резкое преобладание процессов выделения СО₂ в атмосферу.

При изучении океанических экосистем помимо традиционного сбора материала с научно-исследовательских судов, в последнее время широко используются дистанционные (со спутников) методы оценки содержания хлорофилла – основного растительного пигмента, ответственного за поглощение света. По количеству хлорофилла можно судить о том, сколь интенсивно идет фотосинтез и какое количество органического вещества при этом образуется. Большие успехи достигнуты в последнее время и в изучении трансформации в океане азота – элемента, нехватка которого ограничивает развитие фитопланктона, а следовательно, и связывание углерода на огромной площади в центральных районах всех океанов.

При исследовании пресноводных экосистем стали широко использоваться оценки содержания стабильных изотопов основных используемых организмами элементов. Так, например, в небольших озерах часть органического вещества создается фитопланктоном в самом водоёме, а часть попадает с суши, с растительным опадом. Поскольку органическое вещество, синтезированное фитопланктоном и наземной растительностью различается по содержанию стабильного изотопа углерода ¹³С, то, оценив относительное количество этого изотопа в организмах разных трофических уровней – в зоопланктоне, рыбах, донных животных и т.п., можно понять как перераспределятся потоки углерода из этих двух источников.

В современной экологии важное место занимают исследования возможной взаимосвязи между суммарной первичной продукцией экосистемы и структурой сообщества продуцентов, с уровнем его видового разнообразия. Таким образом экосистемный подход увязывается с классическими подходами популяционной экологии.