Экосистемы и биосфера — разбор для ЕГЭ

Структура экосистемы: биоценоз и биотоп

Экология в КИМ ЕГЭ по биологии занимает до 15% всех заданий линии 17–18 и второй части (линии 24–26). Фундаментальное понятие этого блока — экосистема. Это совокупность совместно обитающих организмов разных видов и условий их среды обитания, связанных между собой обменом веществ и энергии.

Любая природная экосистема включает две неразрывные части:

Экосистема = Биотоп (абиотическая среда: свет, вода, почва, температура)
+ Биоценоз (живые организмы: микроорганизмы, грибы, растения, животные)

Внутри биоценоза организмы распределяются по трем основным функциональным группам:

1. Продуценты — автотрофные организмы (растения, цианобактерии, хемотрофы), которые создают первичное органическое вещество из неорганического в ходе обмена веществ и фотосинтеза.

2. Консументы — гетеротрофные потребители готовой органики. Консументы I порядка питаются продуцентами (растительноядные животные), консументы II и последующих порядков — хищники и паразиты, поедающие других животных.

3. Редуценты — сапротрофные бактерии и грибы, окончательно разлагающие мертвое органическое вещество до простых минеральных соединений (воды, углекислого газа, минеральных солей), возвращая их обратно продуцентам.

Трофические связи и экологические пирамиды

Перенос энергии и вещества от продуцентов к другим организмам происходит через пищевые цепи. В реальных сообществах цепи переплетаются, образуя разветвленные трофические сети. В ЕГЭ строго различают два типа пищевых цепей:

• Пастбищные цепи (цепи выедания) — начинаются с живых зеленых растений: клевер → шмель → насекомоядная птица → ястреб.

• Детритные цепи (цепи разложения) — начинаются с мертвого органического вещества (детрита): опавшая листва → дождевой червь → крот → лисица. Они играют главную роль в переработке массы вещества в лесах умеренной зоны, где большая часть биомассы растений не съедается живьем, а отмирает.

Численность и биомассу организмов изучают через экологические пирамиды, построенные на основе правила Р. Линдемана (правило 10%): с одного трофического уровня на следующий переходит в среднем лишь 10% энергии, а остальные 90% расходуются на жизнедеятельность и рассеиваются в виде тепла.

Круговорот веществ и поток энергии

Главное различие между веществом и энергией в биогеоценозе — цикличность. Энергия проходит через экосистему сквозным однонаправленным потоком: попадая от Солнца в хлоропласты, преобразуется в химические связи и постепенно деградирует в тепло. Она не возвращается обратно к светилу.

Вещество, напротив, циркулирует по замкнутым кругам, многократно проходя через тела живых существ и геосферы планеты.

Круговорот углерода:
6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ (фиксация продуцентами)
C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + АТФ (дыхание организмов и деструкция)

Круговорот азота обеспечивают прокариоты: азотфиксаторы связывают атмосферный N₂, нитрификаторы окисляют аммиак до нитратов, усваиваемых корнями растений, а денитрификаторы возвращают молекулярный N₂ обратно в воздух. В этих процессах активно задействованы представители разных царств, чье разнообразие рассматривает зоология основных групп и микробиология.

Саморегуляция и смена экосистем (сукцессия)

Устойчивость экосистемы поддерживается механизмом саморегуляции на основе отрицательных обратных связей: рост численности жертв ведет к насыщению и размножению хищников, которые затем сокращают популяцию жертв, после чего снижается и численность хищников.

Направленная смена одного биоценоза другим под влиянием внутренних или внешних факторов называется сукцессией. Конечный этап сукцессии — климаксное сообщество (зрелая, максимально устойчивая экосистема, например, вековая дубрава или тайга).

Признак	Первичная сукцессия	Вторичная сукцессия
Исходные условия	Безжизненный субстрат без почвы (голые скалы, остывшая лава, песчаные дюны).	Территория с сохранившейся почвой и банком семян (вырубка, гарь, заброшенное поле).
Пионерные виды	Накипные лишайники, мхи, микроорганизмы.	Быстрорастущие травы, светолюбивые сорняки, кустарники.
Скорость процесса	Крайне медленная (сотни и тысячи лет, требуется почвообразование).	Относительно быстрая (десятки лет до восстановления исходного леса).

Биосфера: учение В. И. Вернадского

Биосфера — глобальная оболочка Земли, населенная живыми организмами. Ее верхняя граница проходит в атмосфере на высоте озонового экрана (около 20–25 км), где ультрафиолетовое излучение уничтожает белковые структуры. Нижняя граница в гидросфере достигает дна глубочайших впадин (до 11 км), а в литосфере ограничена глубиной 3–4 км (лимитирует высокая температура земных недр).

В. И. Вернадский выделил категории веществ биосферы:

• Живое вещество — совокупность всех живых организмов планеты.

• Биогенное вещество — создано организмами (уголь, торф, известняк, кислород атмосферы).

• Косное вещество — сформировано без участия жизни (базальт, магма, гранит).

• Биокосное вещество — продукт совместной работы живой и неживой природы (почва, донный ил, природные воды).

Живое вещество выполняет ключевые биогеохимические функции: газовую (поглощение CO₂ и выделение O₂), концентрационную (накопление кремния хвощами или кальция моллюсками), окислительно-восстановительную и деструктивную. Детальный ход зарождения и трансформации этих свойств изучает эволюция органического мира.

Что запомнить для экзамена

Чтобы без ошибок решать задания второй части КИМ ЕГЭ по экологии, зафиксируй главные закономерности:

1. Длина пищевой цепи редко превышает 4–5 звеньев из-за колоссальных потерь энергии на дыхание и метаболизм согласно правилу 10%.

2. Устойчивость любого биогеоценоза тем выше, чем богаче его видовое разнообразие, длиннее и сложнее сети питания, выше доля замкнутости круговорота веществ.

3. Агроценоз (поле, сад) крайне неустойчив, так как поддерживается искусственным отбором, человеком, характеризуется монокультурой, незамкнутым круговоротом (урожай изымается) и требует постоянного притока внешней антропогенной энергии.

4. Живое вещество трансформирует литосферу, гидросферу и атмосферу, поддерживая динамический гомеостаз планеты.