Экологическая ниша: определение, правило Гаузе, примеры и значение

Понятие экологической ниши является одним из фундаментальных в современной экологии. Оно позволяет понять механизмы функционирования экосистем и существующие между организмами связи. Каждый биологический вид занимает строго определенное место в окружающей среде, обусловленное его пищевым рационом, временем активности, местами размножения и укрытий. Для растений это выражается через теневыносливость, приуроченность к определенному ярусу и время активной вегетации. Таким образом, экологическая ниша определяет весь образ жизни организма, его «профессию» в биоценозе.

Классическим примером, иллюстрирующим разделение ниш, являются весенние эфемероиды в лесу. Эти растения завершают свой жизненный цикл до распускания листвы деревьев, захватывая световой ресурс. Затем их сменяют более теневыносливые виды. Отдельную группу составляют пионерные виды, которые быстро осваивают свободное пространство, но обладают низкой конкурентной способностью. Их существование ярко демонстрирует динамику заполнения экологических ниш в природе.

Американский эколог Юджин Одум дал образное определение: местообитание является «адресом» вида, а экологическая ниша – его «профессией». Например, смешанный лес как местообитание предоставляет кров сотням видов, но у каждого своя ниша. Белка живет в кронах деревьев, питаясь семенами, а лось – в подпологовом пространстве, поедая зеленые части растений. Их ниши не пересекаются, что исключает конкуренцию и позволяет видам сосуществовать нейтрально.

Если виды претендуют на одну и ту же нишу или ее элементы, между ними неизбежно возникает конкурентная борьба. Объективная закономерность таких взаимоотношений сформулирована в правиле конкурентного исключения, авторства эколога Георгия Францевича Гаузе. Оно гласит: два вида со сходными требованиями к среде не могут долго сосуществовать вместе. Один из них должен либо вымереть, либо изменить образ жизни, заняв новую экологическую нишу, например, изменив время питания или новое местообитание.

Важным свойством является способность вида менять свои ниши на протяжении жизненного цикла. Личинка майского жука связана с почвой и питанием корнями, в то время как имаго (взрослая особь) обитает в наземной среде и поедает листья. Это показывает, что ниша – динамическая характеристика вида. Сообщества формируются по принципу заполнения всех доступных экологических ниш, что обеспечивает их стабильность. В зрелых климаксных сообществах, в долгосуществующих коренных лесах, все ниши заняты, что делает внедрение новых видов маловероятным.

Однако понятие занятости ниш относительно и зависит от регионального видового пула. При интродукции чужеродных видов, кроликов в Австралию или ондатры в Европу, пришелец может найти свободную нишу. Отсутствие естественных врагов (хищников, паразитов) приводит к вспышке численности вида-вселенца, что нарушает баланс экосистемы. Это доказывает, что ниша включает не только абиотические факторы, но и биотические связи.

С экологическими нишами тесно связано понятие жизненных форм – групп видов из разных систематических групп, выработавших сходные морфологические адаптации для жизни в одинаковых условиях. Примеры: обтекаемая форма тела дельфина (млекопитающее) и акулы (рыба), или наличие длинных задних конечностей у тушканчика и кенгуру для прыжков в степи. В растительном мире жизненные формы представлены деревьями, кустарниками и травами, занимающими разные ярусы и, следовательно, разные ниши в одном местообитании.

Поток энергии в экосистемах: от Солнца к трофическим уровням и правило 10%

Основой существования любой экосистемы является постоянный поток энергии, который живые организмы поглощают, трансформируют и расходуют. Первичными поставщиками энергии выступают автотрофы – растения и некоторые бактерии, способные к фотосинтезу или хемосинтезу. В процессе фотосинтеза используется лишь малая часть солнечного спектра, известная как ФАР (фотосинтетически активная радиация) с длинами волн 380-710 нм. Эта радиация, близкая к видимому свету, составляет около 40% от общей солнечной энергии, достигающей поверхности Земли. Остальная энергия приходится на ультрафиолетовое и инфракрасное (тепловое) излучение.

Эффективность преобразования растениями энергии ФАР в биомассу в масштабах планеты в среднем не превышает 1%. Наиболее продуктивные сообщества, такие как тропические леса, посевы кукурузы или плантации сахарного тростника, в идеальных условиях могут достигать КПД в 3-5%. В лабораторных условиях кратковременная эффективность фотосинтеза может достигать 8-10% от ФАР. Эта энергия, запасенная в химических связях органических веществ, является первоисточником для всех последующих трофических уровней – консументов и редуцентов.

При переходе энергии с одного трофического уровня на другой действуют строгие закономерности. Основная часть энергии, потребленной с пищей (Эп), расходуется организмом на жизнеобеспечение: движение, поддержание температуры тела, работу органов. Эти затраты обозначаются как энергия дыхания (Эд). Другая часть энергии откладывается в приросте биомассы (Эпр), а некоторое количество не усваивается и выделяется с продуктами выделения (Эп.в), в основном с экскрементами. Баланс описывается уравнением: Эп = Эд + Эпр + Эп.в.

Доля энергии, идущая на разные нужды, сильно варьирует. Хищники усваивают пищу почти полностью, а травоядные, особенно гусеницы, могут выделять с экскрементами до 70% потребленной энергии. В среднем же на дыхание и неусвоенную пищу тратится около 90% энергии. Поэтому на каждый последующий трофический уровень переходит лишь около 10% от энергии предыдущего. Эта закономерность известна как «правило десяти процентов».

Из правила десяти процентов вытекают важные практические следствия. Во-первых, энергетически крайне невыгодно потребление продукции с высоких трофических уровней (например, мяса), так как ее производство сопряжено с колоссальными потерями энергии. Классический пример – цепь питания: люцерна -> телята -> мальчик. Чтобы прокормить одного ребенка телятиной в течение года, требуется 4,5 теленка, которым, в свою очередь, нужен урожай люцерны с площади в 4 га.

Во-вторых, для обеспечения продовольствием растущего населения человечеству необходимо увеличивать долю растительной пищи в рационе. С энергетической точки зрения, вегетарианство является наиболее эффективной стратегией. Это может значительно снизить нагрузку на агрокультурные системы и позволить прокормить большее количество людей.

В-третьих, в животноводстве для повышения эффективности использования кормов необходимо минимизировать непродуктивные затраты энергии (Эд). Это достигается за счет оптимизации температурного режима, ограничения подвижности животных, сбалансированности рациона и применения биотехнологических приемов. Таким образом, понимание законов потока энергии в экосистемах имеет прямое отношение к решению глобальных продовольственных проблем.

Сведения об авторах и источниках:

Автор: Н. А. Воронков

Источник: Основы общей экологии

Публикации предназначены для студентов всех специальностей, изучающих экологию как общекультурную дисциплину, а также для учителей, учащихся старших классов и всех интересующихся вопросами экологии.