Основной (элементарной) функциональной единицей биосферы есть экосистема. Экосистема — единый естественный комплекс, образованный за длинный период живыми организмами и средой, в которой они существуют, и где все компоненты тесно связаны обменом веществ и энергии. Но, в соответствии с представлением Ю. Одума, не всякая комбинация жизнь-среда — может быть экосистемой. Ею может стать лишь среда, где имеет место стабильность и четко функционирует внутренний кругооборот веществ. Выделяют микроэкосистемы (пенек с грибами, небольшое болото), мезоэкосистемы (участок леса, озеро, водохранилище) и макроэкосистемы (континент, океан). Глобальной экосистемой есть биосфера нашей планеты. Часто экосистему отождествляют с биогеоценозом. И. Дедю считает, что категории экосистема и биогеоценоз совпадают на уровне растительной общности и принципиально различаются лишь выше и ниже этого уровня. «Экосистема» — понятие более общее. Компоненты биогеоценоза — биотоп и биоценоз. Биотоп — однородное за абиотическими факторами среды пространство, занятое биоценозом (то есть место жизни вида, организма), а биоценоз — сообщество организмов (продуцентов, консументов и редуцентов), которые живут в границах одного биотопа. Понятие «биоценоз» — условное, поскольку вне среды существования организмы жить не могут, но ним удобно пользоваться в процессе изучения экологических связей между организмами.
В зависимости от местности, отношение к человеческой деятельности, степени насыщения, полноценности и т.п. различают биоценозы суши, воды, естественные и антропогенные, насыщенные и ненасыщенные, полночленные и неполночленные.
Во время изучения экосистем характеризуют: 1) их видовой или популяционный состав и количественное соотношение видовых популяций; 2) пространственное распределение отдельных элементов; 3) совокупность всех связей, в первую очередь - цепей питания.
Экосистемы — открытые термодинамические функционально целостные системы, которые существуют за счет поступления из окружающей среды энергии и частично вещества и которые саморазвиваются и саморегулируются.
Одним из важных экологических понятий есть гомеостаз. Гомеостаз — состояние внутреннего динамического равновесия естественной системы (экосистемы), которое поддерживается регулярным восстановлением ее основных элементов и вещественно-энергетического состава, а также постоянным функциональным саморегулированием компонентов. Гомеостаз есть характерным и необходимым для всех естественных систем — от атома и организма к космическим образованиям.
Все популяции имеют свойства, благодаря которым они поддерживают свою численность на оптимальном уровне в условиях среды, которые постоянно изменяются. Эти свойства и являются гомеостазом.
Вид (биологический) — совокупность организмов с родственными морфологическими признаками, которые могут скрещиваться друг с другом и имеют общий генофонд. Это основная структурная единица в системе живых организмов. Вид подчинен роду, но имеет подвиды и популяции. Виды имеют морфологические, физиолого-биохимические, эколого-географические (биогеографические) и генетические характеристики.
Популяция — совокупность особей одного вида с одинаковым генофондом, которая живет на общей территории на протяжении многих поколений.
Естественная среда — это все живое и безжизненное, что окружает организмы и с чем они взаимодействуют. Различают воздушную, водную и грунтовую среду, последним может быть и тело другого организма (для паразитирующих организмов).
Основные экологические понятия и термины
Биомасса — это общая масса особей одного вида, групп видов или сообщества в целом (растения, животные, микроорганизмы), которое приходится на единицу поверхности (объема), места. проживания (в сыром или сухом виде). Выражают биомассу в килограммах на гектар, граммах на квадратный или кубический метр или в джоулях (единицах энергии). Наибольшую биомассу на суше среди гетеротрофов имеют беспозвоночные и грунтовые микроорганизмы (биомасса дождевых червей может достигать 1000—1200 кг/га), около 90% биомассы биосферы приходится на биомассу наземных растений, которые с помощью. фотосинтеза — биосферного процесса — усваивают свободную энергию и обеспечивают существование всего живого. Началом биологического кругооборота веществ есть именно фотосинтез. Но механизм фотосинтеза остается тайной для ученых и поныне. Есть несколько гипотез, которые объясняют механизм этого явления. Одна из последних - фотовольтаичная Г. Комисарова.
Наибольшей есть биомасса тропических лесов (до 1700 т/га), а наименьшей — тропических и субтропических пустынь (около-2,5 т/га). Биомасса луговых степей составляет 250 ц/га (наземная), лесной полосы (Полесье) -до 3500—4000 (наземная) и 960 ц/га (подземная).
Наземные растения за массой почти в 100 раз превышают наземных животных, а масса травоядных в столько же раз большая за массу хищников.
Скорость продуцирования биомассы на данной площади за единицу времени называют биопродуктивностью. Она может быть первичной (производительность, продуцентов) и вторичной (биомасса, которую продуцируют консументы и организмы которые разлагаются).
Первичная производительность материков составляет около 53 млрд т органического вещества, Мирового океана — до 30 млрд т. На суше основным источником первичной биомассы являются тропические леса, леса Полесья и Сибири, в океане — зоны подъема обогащенных фосфором и азотом глубинных вод возле материков в тропиках, а также материковые мели холодных морей.
Подсчитано, что ныне ежегодной биомассы планеты, которую собирает человечество, уже недостаточно для питания населения Земли, а вся биосфера способная прокормить
На протяжении последних десятилетий все более часто употребляется термин «агроценоз». Агроценозы — молодые биоценозы, которые формируются в наше время, характеризуются видовой бедностью и однообразием и поддерживаются человеком благодаря разработанной ею системе агротехнических и агрохимических мероприятий. Это вторичные, видоизмененные человеком биогеоценозы (поля, огороды, сады, подводные плантации мидий и т.п.).
В агроценозах регуляторные связи очень ослаблены, что приводит к резкому увеличению численности вредителей и возбудителей разных болезней. Но агроценозы дают человечеству до 90 % продуктов питания.
Агроценозы - результат экстенсивного разорения земель, суперирригаций и неграмотных мелиораций, активного выпаса скота, вырубки лесов, суперхимизации земель, а также продолжительного выращивания одних и тех же культур на одних и тех же полях. Они существуют сравнительно с естественными очень непродолжительное время (зерновые агроценозы — год, садовые — 30-40 лет).
Агроценозы — следствие антропогенного обмена веществ, которое есть экологически очень несовершенным, незамкнутым, так как на входе этого обмена являются естественные ресурсы, а на выходе — агрохимические, промышленные и бытовые отходы, которые не возвращаются на производство, не депонируются и не разлагаются, как это обычно происходит в биосфере миллионы лет.
Важными есть также понятие биологический маленький и геологический большой кругооборот веществ, а также круговороты воды, азота, углекислого газа как главнейших, с экологической точки зрения, компонентов атмосферы, а также кругообороты серы, фосфора, углерода как важнейших жизненных веществ биосферы.
Кругооборот веществ — это их многоразовое участие в естественных процессах, которые извечно происходят в геосферах. Большую роль в кругооборотах веществ, а точнее химических элементов, играют живые организмы, на что впервые обратил внимание французский ученый Ж. Ламарк. В. Вернадский исследовал этот вопрос и сформулировал основные законы биогеохимического кругооборота.
Маленький, или биологический (биотический), кругооборот имеет место в границах маленьких экосистем, большой (геологический) в границах планеты, между океанами и континентами. Во время кругооборота происходит кругообразная циркуляция веществ между воздухом, грунтом, водой, растениями, животными и микроорганизмами, минеральные вещества, нужные для жизни, поглощаются, трансформируются, поступают из окружающей среды в состав растительных организмов, а от них через цепи питания в виде органических веществ — к животным, дальше через звено редуцентов - сновс в окружающую среду (в грунты, воды, воздух) в виде неорганических веществ.
Благодаря наличию в атмосфере и гидросфере большого резервного фонда углерода, азота, кислорода, серы, фосфора круговороты могут относительно быстро саморегулироваться.
Во время биологического кругооборота происходят очень характерные изменения энергии в процессе перехода с одного трофического уровня на другого. В трофический кругооборот экосистемы в среднем поступает около 1 % солнечной энергии, на следующие высшие трофические равные из низших переходит лишь 10 % усвоенной организмами энергии, а 80-90 % рассеиваются в экосистеме в виде тепла. Растения используют солнечную энергию с эффективностью от 0,1 до 1 %. Растенеядные животные потребляют около 10 % энергии, аккумулированной растениями, хищники — до 10 % накопленной травоядными животными (их биомассы), то есть всего около 0,001 % солнечной энергии, которая поступает на Землю. Этот факт разрешил построить экологические пирамиды биомасс, энергии, экосистем.
Приведем еще несколько важных экологических понятий.
Гомеостаз — состояние внутреннего динамического равновесия естественной системы, которая поддерживается путем регулярного восстановления основных ее структур, вещественно-энергетического состава т.е. постоянной функциональной саморегуляции ее компонентов. Это состояние характерный для всех природнил систем — от атома и организма к Галактике.
Иерархия экосистем - функциональное подчинение (принадлежность мелких и простых систем к больших и более сложных) экосистем разного уровня организации. Иерархический ряд имеет такой вид: биогеоценоз — биогеоценотический комплекс - ландшафт (ландшафтная провинция) - естественный пояс - биогеографическая область (подсфера биосферы, или экосистема суши, океана, атмосферы, глубин Земли) - биосфера. Экосистемы каждого уровня имеют свой кругооборот веществ.
Катаценоз — заключительная стадия вымирания биотической общности, деградация биотической среды.
Климакс — завершающая фаза биогеоценотической сукцессии; завершающий этап развития биогеоценозов в данных условиях существования; завершающая довольно стойкая фаза (не изменяется на протяжении десятилетий) естественной биогеноценотической су-кцессии, которая наибольшее отвечает экологическим условиям данной местности в определенный период геологического времени.
Негентропия — величина, обратная энтропии; мера отдаленности от состояния энергетического равновесия, стремление к неравномерности. Негентропия увеличивается с возрастанием организованности системы. Организмы и экосистемы имеют значительную негентропию.
Принцип Реди — живое происходит от живого, а между живым и безжизненным веществом существует непереходная граница.
Сукцессия - последовательное изменение биоценозов, которое возникает на одной и той же территории (биотопе) под влиянием естественных или антропогенных факторов.