Екологічна система та її складники. Кожний, хто хоча б трохи цікавився життям природи, чітко уявляє, що життєдіяльність організмів обумовлена не лише різними абіотичними факторами (температурою, солоністю, киснем, магнітним полем Землі, світлом, ґрунтом, вологістю), а й біотичними, тобто взаємодією різних видів живих організмів. У результаті між популяціями різних видів організмів, що живуть у певних кліматичних, фізичних і хімічних умовах, виникають закономірні зв'язки, які мають чітку структуру. Ці зв'язки організмів один з одним і з абіотичними компонентами середовища проживання формують екологічну систему (екосистему).

До складу будь-якої екосистеми входять такі компоненти:

• кліматичний режим, хімічні й фізичні фактори середовища;

• неорганічні речовини (макроелементи й мікроелементи) та деякі органічні речовини, що формують гумус (від лат. гумус — перегній, земля, ґрунт) ґрунту;

• продуценти (від лат. продуценс — той, що створює) — виробники органічної речовини (автотрофні організми, головним чином зелені рослини, здатні до фотосинтезу) (іл. 53.1);

• консументи (від лат. консуменс — той, що споживає) — споживачі органічної речовини (тварини, паразитичні гриби й бактерії, що споживають створену рослинами органічну речовину);

• редуценти (від лат. редуцетис — той, що відновлює) (іл. 53.2) — бактерії та гриби, які руйнують мертві тіла або відпрацьовану органічну речовину до стану простих неорганічних сполук (води, вуглекислого газу, оксидів тощо), які здатні засвоювати рослини.

Іл. 53.1. Продуценти: рослини, фотосинтезуючі та хемосинтезуючі бактерії

Іл. 53.2. Редуценти: організми, що розкладають мертву органічну речовину (бактерії, гриби, комахи-трупоїди, дощові черв’яки)

Отже, будь-який доволі великий за розмірами природний об'єкт: ліс, озеро, ставок, луг, сад, поле й навіть міський двір — це екосистема, яка складається з абіотичної та біотичної частин. Біотична частина містить автотрофний і гетеротрофний компоненти. Важливою властивістю екосистем є їх здатність до самоорганізації, саморегуляції й саморозвитку.

Біогеоценоз як елементарна екосистема. Угруповання популяцій різних видів тварин і рослин тварин, що склалося історично та прив'язане до однієї доволі однорідної за абіотичними факторам ділянки суходолу або водойми — біотопу (від грец. біос — життя й топос — місце), формують біоценоз (від грец. біос й коїнос — спільний, загальний), у якому між видами складаються певні відношення. Разом біотоп і біоценоз утворюють біогеоценоз (від грец. біос, геос — земля й коїнос). Це може бути, наприклад, увесь ліс або дубовий гай у сосновому борі; озеро в цілому або окремі його частини: прибережні зарості очерету, мілководдя з водною рослинністю тощо (іл. 53.3).

Іл. 53.3 Принципова структура біогеоценозу І — продуценти (рослини); II — консументи 1-го порядку (тварини, що живляться рослинами); III — консументи другого порядку (тварини, що живляться консументами першого порядку); IV — редуценти (ті, що розкладають мертві організми на прості неорганічні сполуки)

Важливою особливістю біоценозу є його здатність до саморегуляції. Ця властивість автоматично встановлювати й підтримувати на постійному рівні біологічні показники є характерною не лише для екологічних, а й для будь-яких інших біологічних систем. На рівні біоценозу воно проявляється в тому, що, незважаючи на те, що середовище постійно змінюється, а популяції видів, що його складають, підкоряються хвилям життя, основні показники екосистеми (фізичні розміри, число видів, що до нього входять, продукція органічної речовини) рік у рік залишатимуться доволі стабільними.

Біогеоценози складають більші за розмірами екосистеми — біолін (від грец. біос — життя і лат. -омат-, -ома — закінчення, що позначає сукупність), до яких входять усі пов'язані одна з одною екосистеми однієї природно-кліматичної зони. Наземні біоми класифікують за головним типом рослинності (наприклад, біом широколистяного лісу, тундри, вологого тропічного лісу). У межах території України виділяють чотири типи біомів: широколистяних лісів, степу, гірських лісів (Карпати) і середземноморської рослинності (південний берег Криму).

Біоми у свою чергу формують біосферу (від грец. біос і сфера — сфера, куля), яка є екосистемою найвищого рівня.

Екологічна ніша. Популяція кожного виду, що входить до складу біоценозу, має екологічну нішу — місце, яке займає вид у трофічних взаємовідносинах, що склалися між видами в екосистемі (іл. 53.4).

Іл. 53.4. Екологічні ніші різних видів синиць, що визначаються переважним місцем їх живлення: синиця велика — повсюди; гаїчка болотяна — кущі; синиця чорна — хвойні дерева; синиця голуба — крони широколистяних дерев; гаїчка буроголова — береза

Якщо це автотрофний вид, то його місце визначається тим, яким чином він одержує енергію від Сонця або шляхом хемосинтезу та для яких організмів він слугує їжею. Якщо це гетеротроф, то його положення в екосистемі обумовлене його живленням і тим, для кого він сам є джерелом речовин та енергії.

Багато вчених трактують екологічну нішу як якийсь фізичний простір, який займає популяція, з його абіотичними й біотичними умовами. Інші дослідники вважають, що це швидше функціональне поняття, яке відображає комплекс зв'язків виду в біоценозі та його пристосування до умов середовища. Наприклад, для екологічної ніші квіткової рослини характерні такі фактори: кількість опадів, сонячного світла й мінеральних речовин у ґрунті, необхідних для нормального життя. Нішу тварини-хижака формують різні абіотичні, насамперед, кліматичні фактори: наявність жертв, а також паразити й інфекційні захворювання, характерні для місцевості, у якій він живе.

Екологічну нішу не потрібно сприймати як щось застигле й непорушне. Навіть її розміри у межах одного біоценозу, залежно від стану популяції, сезону й року, постійно змінюються. Якщо вид не має конкурентів, то він займає нішу повністю, якщо конкуренти є — він змушений її ділити з ними.

Принцип конкурентного витіснення. Правила взаємовідносин видів, що займають ту саму екологічну нішу, трактує принцип конкурентного витіснення, яке можна сформулювати так. Два види, які конкурують за той самий набір ресурсів за умови стабільності факторів середовища, не можуть існувати разом нескінченно довго. У результаті один вид завжди здобуде перевагу над другим і рано чи пізно витіснить його з даного біоценозу, якщо лише більш слабкий вид не зробить перехід в іншу екологічну нішу.

Цей закон сформулював еколог і мікробіолог Г. Ф. Гаузе (1910-1986). Спостерігаючи в лабораторних умовах за співіснуванням популяцій двох видів інфузорій, він установив, що в стабільних умовах колонії цих видів, кожний у своїй пробірці, прекрасно ростуть і розвиваються.

Однак за утворення спільних поселень інфузорія золотиста настільки пригнічує інфузорію туфельку, що згодом остання в таких пробірках просто зникає (іл. 53.5). Дослідникові все ж таки вдалося добитися співіснування цих видів, але для цього необхідно було постійно змінювати умови існування в пробірках.

У природі не існує стабільного середовища — навіть у межах одного біогеоценозу завжди можна знайти ділянки з різними комбінаціями екологічних факторів.

З'ясувалося, що в будь-який екосистемі потенційних ніш є значно більше, ніж насправді в ній живе видів, а деякі вчені вважають, що число ніш у будь-якому біоценозі може наближатися до нескінченності. У результаті кожний вид, якому підходять умови існування даної екосистеми, знайде в ній свою екологічну нішу.

Іл. 53.5. Хід експерименту, що доводить принцип конкурентного витіснення (а — успішний вид, б — пригнічений вид)

Тим більше, що кожний вид є екологічно унікальним, у нього не лише свої особливі вимоги до абіотичних факторів середовища, а й він має свої ритми життя, особливості живлення й розмноження. Наприклад, близькі види циклопів й дафній, які зовні майже не відрізняються та живуть в одному шарі води, мають своє положення в екосистемі. Вони по-різному реагують на світло й температуру і, відповідно, мають неоднакову добову активність та сезонну динаміку розмноження й чисельності.

Популяції різних видів організмів формують угруповання, які разом з абіотичними факторами середовища називають екологічними системами. За своїми розмірами екосистеми бувають декількох рівнів: біогеоценози — елементарні екосистеми; біоми — сукупності екосистем однієї кліматичної зони й біосфера — глобальна екосистема Землі. Місце популяції в екологічній системі називають екологічною нішею.