3.1. Рівні організації природних систем
Навколишнє середовище (атмосфера, гідросфера, літосфера) і живі організми нашої планети утворюють глобальну систему - біосферу. Вона має потужну життєздатністю завдяки великій різноманітності складових її систем більш низького рівня.
Прийнято виділяти кілька рівнів організації природних систем. Молекули.
Біосфера. На будь-якому рівні організації природні системи мають наступні властивості:
Природні системи складаються з взаємопов'язаних і взаємозалежних компонентів, які з'єднані один з одним прямими і зворотними зв'язками.
Будь-яка досліджувана система є елементом системи більш високого рівня.
Елементи будь-якої досліджуваної системи в свою чергу виступають як системи більш низького рангу. (Розглядаючи клітинний рівень як систему, необхідно враховувати, що молекулярний рівень в цьому випадку розглядається як підсистема).
На всіх рівнях спостерігається впорядкованість обміну речовиною, енергією, інформацією.
В організації і функціонування біосфери - складної оболонки, яка об'єднує всі форми життя, доцільно розглянути наступні рівні, які є основними об'єктами вивчення в екології:
Популяція - група організмів певного виду, що володіє всіма необхідними умовами для підтримання своєї чисельності в постійно мінливих умовах середовища.
Біоценоз - сукупність живих організмів, що населяють ділянку середовища проживання. Для цих живих організмів характерний тісний взаємозв'язок, що склався круговорот енергії, речовин. Біоценоз є продуктом природного відбору.
Простір, заселений біоценозом, називається біотопом. Т.ч. біотоп є місцем існування (проживання) біоценозу.
Біогеоценоз (екосистема) - сукупність спільноти живих організмів і середовища. Іншими словами, біоценоз (біотична складова) і біотоп (абиотическая складова) утворюють систему більш високого рангу - біогеоценоз.
Біосфера - це найвищий ступінь ієрархії, сукупність всіх живих організмів і їх екологічного середовища в межах планети.
3.2. Склад і функціональна структура екосистеми
Кожна екосистема має власне матеріально - енергетичне забезпечення і певну функціональну структуру, засновану на харчових або трофічних (від грец. Trophos - харчування) взаєминах. Ця структура представлена кількома групами організмів, кожна з яких виконує певну роботу в круговороті речовин.
Ряд взаємопов'язаних видів, з яких кожен може служити їжею подальшого, носить назву ланцюга харчування.
Організми, що відносяться до одного такого ланці, утворюють один трофічний рівень. В екосистемі присутні наступні ланки трофічного ланцюга:
Автотрофи (фітоценоз) - організми, які створюють органічні сполуки з неорганічних складових в процесі фотосинтезу (акумулюючи сонячну енергію). До автотрофам відносяться вищі зелені рослини, лишайники, водорості і бактерії, які мають фотосинтезуючі пігменти. Автотрофні організми також називають продуцентами (від лат. Producens, родовий відмінок producentis - виробляє, створює). До цього типу належать рослини, яких на Землі більше 350 000 видів. Синтезована автотрофами нова біомаса органічної речовини - це первинна продукція, а швидкість її утворення - біологічна продуктивність екосистеми. Автотрофи утворюють перший трофічний рівень екосистеми.
Гетеротрофи - Хімічні сполуки, які утворюють продуценти, містять в собі енергію. З харчуванням цю енергію отримують гетеротрофи і використовують в процесі своєї життєдіяльності. В екології гетеротрофів поділяють на консументи (зооценоз) і редуценти (микробоценоз).
Гетеротрофи (від лат. Сonsume - споживаю) - споживачі готової органічної продукції. Розрізняють консументов 1-го і 2-го порядків. Гетеротрофи 1-го порядку - травоїдні, 2-го порядку - хижаки. Гетеротрофи 1-го і 2-го порядку займають відповідно друге, третє, а іноді і наступні рівні в екосистемі.
Редуценти (від лат. Reducens - повертає, відновлює) - відновники, існуючі за рахунок енергії відмираючого речовини. Забезпечують його мінералізацію з отриманням вихідних мінеральних компонентів у вигляді, зручному для використання рослинами у виробництві органічної продукції. До редуцентам відносяться бактерії і нижчі гриби.
Всі названі групи організмів в будь-якій екосистемі тісно взаємодіють між собою, узгоджуючи потоки речовини і енергії. Їх спільне функціонування не тільки підтримує структуру і цілісність біоценозу, а й істотно впливає на абіотичні компоненти біотопу, формуючи і підтримуючи екологічне середовище екосистеми.
Принципова відмінність між потоками речовини та енергії в екосистемі полягає в тому, що біогенні елементи, тобто елементи, складові органічна речовина, можуть багаторазово брати участь в круговороті речовин, тоді як потік енергії однонаправлені і незворотній. Кожна порція енергії використовується одноразово. Згідно з другим законом термодинаміки на кожному етапі трансформації енергії значна її частина неминуче розсіюється у вигляді теплоти.
Закон односпрямованість потоку енергії в екосистемі: енергія, яку отримує екосистема і яка засвоюється продуцентами, розсіюється або разом з їх біомасою необоротно передається консументам першого, другого і інших порядків, а потім редуцентам, що супроводжується втратою певної частини енергії на кожному трофічному рівні як наслідок процесів , які супроводжують дихання.
Рух енергії і речовини від першого трофічного рівня продуцентів до останнього ланці супроводжується перетворенням енергії і великими її втратами. Від одного трофічного рівня до іншого біомаса і кількість енергії зменшується приблизно в 10 разів. Внаслідок цього ланцюг харчування не може бути довгою - на суші вона складається з 4 - 6 ланок, 5-6 ланок в океані.
Закон піраміди енергії Р. Линдемана (1942 г.): з одного трофічного рівня екологічної піраміди на наступний переходить в середньому не більше 10% енергії.
Зворотний потік з більш високих на більш низькі рівні набагато слабший не більш 0,25 - 0,5%, тому говорити про кругообіг енергії можна тільки умовно.
Відповідно до цього закону можна виконувати розрахунки земельних площ і лісових угідь з метою забезпечення населення продовольством та іншими ресурсами.
«Хто, кого і скільки поїдає» показує приклад довгою харчового ланцюга мешканців арктичного моря:
Ще один приклад. Людина з'їдає рибу. Її їжу становили дрібні риби, які споживають зоопланктон, який живе за рахунок фітопланктону, що уловлює сонячну енергію. Підраховано, що для побудови 1 кг тіла людини потрібно 10 тис. Кг фітопланктону.
Завдяки певній послідовності харчових відносин можна спрощено зобразити трофічні рівні переносу речовин і енергії в екосистемі, пов'язані з харчуванням певної групи організмів.
Сукупності трофічних рівнів різних екосистем моделюються за допомогою трофічних пірамід чисельності (на рис.3.2. Це числа, взяті в дужки), біомас (числа, виділені жирним шрифтом), енергій (числа, виділені курсивом).