Закономерности развития экосистем.

Одним из основных достижений экологии стало обнаружение того обстоятельства, что развиваются не только организмы и виды, но и экосистемы.

Развитие экосистем —сукцессия — это последователь­ность сообществ, сменяющих друг друга в данном районе.

Сукцессия в энергетическом смысле связана с фундаменталь­ным сдвигом потока энергии в сторону увеличения количества энер­гии, направленной на поддержание системы.

Сукцессия состоит из стадий развития, стабилизации и климакса. Их можно различать на основе критерия продуктивности системы:

· на первой стадии про­дукция растет до максимума,

· на второй остается постоянной,

· на тре­тьей уменьшается до нуля по мере разрушения системы.

Различия между развивающимися и зрелыми системами можно представить в виде таблицы:

Урожай____________ высокий____________низкий_______

Видовое разнообразие___ мало______________велико

Структурное разнообразие слабо организованохорошо организовано

Специализация по нишам широкаяузкая

Размеры организма небольшие крупные

Жизненные циклы короткие и простыедлинные и сложные

Скорость обмена биогенных веществ между организмом и средой________ высокая низкая

Давление отбора на быстрый рост на регуляцию обратной связи

Внутренний симбиоз неразвит развит

Сохранение биогенных веществ с потерямивысокая

Стабильность низкая высокая

Энтропия низкая высокая

Информация мало много

Обратите внимание на обратную связь зависимости между эн­тропией и информацией, в также на то, что развитие экосистем идет в направлении повышенияих устойчивости, достигаемой за счет уве­личения разнообразия.

Распространив этот вывод на всю биосферу, получаем ответ на вопрос, зачем природе нужны 2 млн. видов. Можно думать (так до возникновения экологии и считали), что эволюция ведет к замене одних менее сложных и приспособленных видов други­ми, вплоть до человека как венца природы. Менее сложные виды, дав дорогу более сложным, становятся не нужны. Экология разрушила этот удобный для человека миф. Теперь ясно, почему опасно, как де­лает современный человек, уменьшать многообразие природы.

К основным законам экологии относятся также:

1) «закон ми­нимума» (Либих) — ограничивают развитие лишь те факторы, кото­рые имеются в недостаточном количестве;

2) «закон толерантности» — избыток какого-либо фактора (тепло, свет, вода) тоже может огра­ничивать распространение данного вида;

3) недонаселенность и пе­ренаселенность могут оказыватьлимитирующее влияние (принцип Олли);

4) принцип конкурентного исключения — два вида, занимаю­щие одну нишу, не могут сосуществовать в одном месте неограни­ченно долго;

5) чем больше трофических уровней, тем больше потери энергии всистеме;

6) развитие экосистем во многом аналогично раз­витию отдельногоорганизма;

7) принцип гетеротрофной утилизации продуктов автотрофногометаболизма. Это свойство экосистем сей­час под угрозой в связи с хозяйственной деятельностью человека, ведущей к накоплению отходов, которые природа не в состоянии утилизировать.

Первыми экосистемами, которые изучались с помощью коли­чественных методов были системы «хищник — жертва».

Америка­нец Лотка в 1925 году и итальянский ученый В. Вольтерра в 1926 го­ду создали математические модели роста отдельной популяции и динамики популяций, связанных отношениями конкуренции и хищ­ничества. Исследование системы «хищник — жертва» показало, что типичной для популяции жертв эволюцией является увеличение рождаемости, а для популяции хищников — совершенствование способов ловли жертвы.

К интересным результатам привело изучение системы «пара­зит —хозяин». Казалось бы, отбор должен вести к уменьшению вредности паразита для хозяина, но это не так. И в этой паре идет конкурентная борьба, в результате которой усложняются и те, и другие. Гибель одного ведет к гибели другого, а сосуществование увеличивает сложность всей системы.

На изучении эволюции системы «паразит — жертва» основана гипотеза, объясняющая значение полов. Бесполое размножение, с точки зрения теории Дарвина, — значительно более эффективный процесс.

Двойная стоимость полового размножения (поскольку муж­ские особи не включают в создание и выращивание потомства столь­ко, сколько женские) вызывала трудности в объяснении этого фено­мена.

Системное изучение биологических процессов предлагает сле­дующее объяснение: половые различия дают хозяевам уникальные преимущества, поскольку позволяют обмениваться частями генети­ческого кода между особями.

Рекомбинация больших блоков генети­ческой информации в результате полового размножения позволяет изменять признаки в потомстве быстрее, чем при мутациях.

Поэтому потомки в этом случае могут быть более резистентными к паразитам, чем их родители. Паразиты же вследствие краткости периода вос­производства и быстрого хода эволюционных изменений меньше нуждаются в наличии полов и обычно бесполы. И здесь конкурент­ная борьба является фактором естественного отбора.

В науке Нового времени преобладал редукционизм, т. е. объ­яснение функционирования высших структурных уровней с помо­щью низших. Развитие биологии в XX веке как будто укрепило по­зиций редукционизма. Молекулярная биология выяснила, что все многообразие форм жизни и жизненных процессов, повадок и ин­стинктов зависит от особенностей чередования четырех нуклеотидов в цепочке ДНК.

С другой стороны, экология показала наличие системных за­кономерностей. «Вся совокупность современных биохимических данных показывает, что отдельные, индивидуальные реакции, про­текающие в живых телах, сравнительно просты и однообразны. Это хорошо известные и легко воспроизводимые в пробирке и колбе хи­мика реакции окисления, восстановления, гидролиза... Ни в одной из них нет ничего специфически жизненного. Специфическим для жи­вых тел является то, что в них эти отдельные реакции определенным образом организованы во времени, сочетаются в единую целостную систему, наподобие того, как отдельные звуки сочетаются в какое-либо музыкальное произведение, например симфонию. Стоит только нарушить последовательность звуков — получится дисгармония, хаос. Аналогичным образом и для организации живых тел важно то, что в них эти отдельные реакции протекают не случайно, не хаотиче­ски, а в строго определенном гармоничном порядке... весь этот поря­док закономерно обусловливает самосохранение и самовоспроизве­дение всей жизненной системы в целом в данных условиях внешней среды, в поражающем соответствии с этими условиями» (А. И. Опа­рин, В. Г. Фесенков. Жизнь во вселенной.- М., 1956.- С. 40).

Необходимость системного подхода в исследовании живого в противоположность редукционизму хорошо изложена в словах Ме­фистофеля из «Фауста» Гете, обращенных к его ученику:

«Иль вот: живой предмет желая изучить,

Чтоб ясное о нем познанье получить, -

Ученый прежде душу изгоняет,

Затем предмет на части расчленяет

И видит их, да жаль: духовная их связь

Тем временем исчезла, унеслась!»

(И. В. Гете. Собр. соч. Т. 5.- М., 1947.- С. 119).