Экологическое равновесие экосистем
Многие экосистемы существуют в течение десятков и даже сотен лет.
Устойчивостью экосистем называется их способность противостоять колебаниям внешних факторов и сохранять свою структуру и функциональные особенности. Для поддержания такой устойчивости экосистем необходима сбалансированность потоков вещества и энергии, процессов обмена между организмами и окружающей их средой. Устойчивая экосистема должна в необходимом количестве получать вещества из окружающей среды и избавляться от отходов. В зависимости от способа поддержания устойчивости экосистемы делятся на открытые и закрытые.
В открытые экосистемы непрерывно поступают энергия и вещество из окружающей среды. В таких экосистемах постоянно идут процессы накопления и разложения вещества. К этому типу относятся природные экосистемы, равновесие в них поддерживается самопроизвольно.
В закрытых экосистемах нет постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Система неспособна избавляться от ненужных продуктов. Равновесие в этом случае может поддерживаться искусственно. Без вмешательства извне закрытые системы неустойчивы и быстро теряют устойчивость.
Экологическое равновесие - это относительное постоянство видового состава живых организмов, их численности, продуктивности, распределения в пространстве, а также сезонных изменений, биологического круговорота веществ и других биологических процессов в экосистеме, приводящее к длительному существованию данной экосистемы. Безусловно, ни одна экосистема не бывает абсолютно стабильной, неподвижной: периодически увеличивается численность одних видов, при этом уменьшается численность других. Подобные процессы происходят периодически и в целом не выводят систему из равновесия. Поэтому, главная особенность экологического равновесия - его подвижность. Различают два типа подвижности равновесия:
- обратимые изменения в экосистеме - это изменения, которые происходя с весны до весны в экосистеме с сохранением видового состава;
- экологические сукцессии (лат. succesio - преемственность, наследование) - это последовательная смена экосистем, возникающих на одной и той же территории или акватории (биотопе) под влиянием природных или антропогенных факторов. В зависимости от первоначального состояния субстрата, на котором развивается сукцессия, различают первичную и вторичную сукцессии.
Первичная сукцессия - это процесс развития экосистем на незаселённых ранее участках, начинающийся с их колонизации. Например, заселение возникших в результате вулканической деятельности островов. Или зарастание голой скалы сначала лишайниками, затем мхами, травами и другими растениями. В процессе первичной сукцессии формируются не только фитоценозы (греч. phyton - растение, koinos - общий), т.е. растительные биоценозы, но и почва.
Вторичная сукцессия - это восстановление экосистем, когда-то уже существовавших на данном биотопе. В таких местах обычно сохраняются богатые жизненные ресурсы. Поэтому вторичные сукцессии приводят кобразованию биоценозов значительно быстрее, чем первичные.
Различают автотрофную и гетеротрофную сукцессии.
Автотрофная сукцессия происходит под воздействием солнечной энергии, при этом в сообществе преобладают автотрофные организмы. В ходе автотрофной сукцессии происходит усложнение сообщества, повышение устойчивости экосистем.
Примером автотрофной сукцессии является экосистема, которая начинает восстанавливаться на лесном пожарище (рис.5). Через 1−2 года участок пожарища зарастает травой, через несколько лет появляются первые кустарники, через 20 − 25 лет территория покрывается лесом: сначала лиственным, а затем вырастают тенелюбивые хвойные.
| Первый год | 1 − 2 года | 3 − 25 лет | 25 − 100 лет | Более 100 лет |
Рис.5. Автотрофная сукцессия на лесном пожарище
Гетеротрофнаясукцессия характерна для тех случаев, когда в экосистеме присутствует избыток органических веществ (загрязненные водоемы, гниющие растительные останки и т.п.) В сообществе в этом случае преобладают гетеротрофные организмы, поэтому запас энергии не увеличивается, а уменьшается. Результатом гетеротрофной сукцессии является либо гибель всех организмов, либо существенное упрощение сообщества.
Примером гетеротрофной сукцессии является «старение» водоемов. Можно выделить две основные стадии сукцессии − развивающуюся и зрелую. Эти стадии характеризуются различными свойствами и разной степенью устойчивости.
Зрелые системы обладают большей способностью сохранять вещества в обменном фонде. Круговороты в них в основном замкнуты. Повышение устойчивости экосистем в ходе сукцессии приводит к тому, что каждая последующая стадия длиться дольше предыдущей.
Зрелые системы − самые устойчивые во времени. Но и они могут быть разрушены в ходе природных и антропогенных катастроф. Если рассматривать большие промежутки времени, то окажется, что любая сукцессия представляет собой циклический процесс. Циклы могут не полностью повторять друг друга, занимать различные промежутки времени, но цикличность сохраняется.
В зависимости от причин, вызвавших смену экосистем, сукцессии делят на аутогенные и аллогенные.
Аутогенные сукцессии (самопорождающиеся) возникают вследствие внутренних причин (изменением среды под действием сообщества), аллогенные (порожденные извне) вызваны внешними причинами (например, изменение климата).
На последних стадиях сукцессии обычно образуются стабильные сообщества, которые называются климаксными.
Климаксное сообщество, климакс (греч. klimax - лестница) характеризуется самой высокой продуктивность и самым большим разнообразием.
Способность популяции или экосистемы поддерживать подвижно-устойчивое равновесие при изменении условий окружающей среды называется гомеостазом экосистем.
Механизм поддержания гомеостаза основан на двух принципах:
- принцип цикличности заключается в многократном использовании биогенных веществ в экосистеме. Это делает практически неисчерпаемыми запасы минеральных веществ в экосистеме.
- принцип «обратной связи» заключается в том, что отклонение экосистемы от состояния равновесия приводит в действие силы, возвращающие ее в равновесное состояние.
БИОСФЕРА
4.1. БИОСФЕРА – ЖИВАЯ ОБОЛОЧКА ЗЕМЛИ
Биосфера по определению В. И. Вернадского «зонажизни», охватывает нижнюю часть атмосферы (тропосферу), всю гидросферу и верхнюю часть литосферы (почву). Другими словами, биосфера представляет собой глобальный биотоп, населённый всеми живыми организмами, в том числе и человеком.
Биосфера - это совокупность частей геосфер (лито- , гидро- и атмосферы), которая заселена живыми организмами, находится под их воздействием и занята продуктами их жизнедеятельности. Oнa не образует плотного слоя с четкими границами, а как бы «пропитывает» другие геосферы планеты. Верхняя граница биосферы простирается от поверхности Земли до озонового слоя, максимальная плотность которого на высоте 20-25 км. Выше этой границы организмы жить не могут: на них губительно действует ультрафиолетовое излучение Солнца и очень низкая температура (-56 °С).
Гидросфера практически вся, в том числе и самая глубокая впадина (Марианская) Мирового океана (11022 м), занята жизнью.
Нижняя граница биосферы проходит по дну океана в гидросфере и на глубине 3,0-3,5 км в земной коре материковой зоны, где температура недр достигает 100 °С и выше. Такая температура тоже губительна для всего живого.
Наиболее густо заселена организмами суша, поверхностные воды океана и его дно на небольшой глубине (до 250 м), куда проникают солнечные лучи. Здесь особенно благоприятные условия для жизни.
Толщина биосферы в среднем немногим более 20 км. По сравнению с диаметром земного шара (13000 км), биосфера - тонкая плёнка. Тем не менее, в горных ледниках, на высотах до 6 км проживают сообщества клещей, из птиц кондор может подниматься на высоту 7 км; в глубинах океана (до 11 км) существуют сообщества животных и микроорганизмов, в подземных нефтяных водах суши на глубинах до 15 км можно обнаружить сообщества бактерий (хемоавтотрофов).
Масса биосферы, по оценкам, составляет около 1,5·1021 кг.
Биосфера обладает системой свойств, которые обеспечивают ее функционирование, саморегулирование, устойчивость и другие параметры. Основные свойства следующие.
1.Биосфера - централизованная система. Центральным звеном ее выступают живые организмы (живое вещество).
2.Биосфера - открытая система. Для поддержания жизни на Земле необходимо поступление энергии извне, и часть этой энергии отражаясь, уходит в космическое пространство.
3.Биосфера - саморегулирующаяся система,для которой, как отмечал В. И. Вернадский, характерна организованность. В настоящее время это свойство называют гомеостазом.
4.Биосфера - система, характеризующаяся большим разнообразием. Биосфера, как глобальная экосистема, характеризуется максимальным среди других систем разнообразием. Для любой природной системы разнообразие - одно из важнейших её свойств. С ним связана возможность дублирования, подстраховки, замены одних звеньев другими, степень сложности и прочности пищевых и других связей. Поэтому разнообразие рассматривают как основное условие устойчивости любой экосистемы и биосферы в целом.
5.Наличие в биосфере механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений.
Биосфера - сложная природная система. Она включает в себя:
- живое вещество – совокупность тел живых организмов, обитающих на планете Земля;
- биогенное вещество - это вещество, созданное и переработанное живыми организмами (каменные угли, известняки, битумы);
- косное вещество - это вещество, в образовании которого жизнь не участвует (горные породы, газы);
- биокосное вещество - это вещество, которое создаётся одновременно живыми организмами и косными процессами (природная вода, почва, соленая морская вода, кора выветривания, тропосфера);
- радиоактивные элементы имеют сложный изотопный состав, идущий из глубины, дисперсно-рассеянный, создающий и меняющий энергетику биосферы;
- рассеянные атомы;
- вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль).
Живые организмы существенно изменили вид нашей планеты, преобразовали земную кору, гидросферу и нижние слои атмосферы. И в настоящее время они участвуют в разрушении горных пород, в образовании почвы, полезных ископаемых, например, торфа, регулируют содержание кислорода и углекислого газа в атмосфере.
Еще на ранних этапах эволюции живое вещество распространилось по безжизненным пространствам планеты, занимая все потенциально доступные для жизни места, изменяя их и превращая в места обитания. Такую способность к распространению живого вещества В. И. Вернадский назвал «всюдностью жизни».
В. И. Вернадский считал живое вещество наиболее мощным геохимическим и энергетическим фактором, ведущей силой планетарного развития. Вершиной эволюции живого вещества на Земле стал человек, который приобрёл не только сознание (совершенную форму отражения окружающего мира), но и способность изготавливать и использовать в своей жизни орудия труда. Посредством орудий человечество стало создавать искусственную среду, среду своего обитания и эволюция биосферы вступила в новую фазу - фазу ноосферы. Ноосфера (греч. noos - разум, sphaira - шар) - сфера разума, высшая стадия развития биосферы, когда разумная человеческая деятельность становится главным определяющим фактором её глобального развития. Термин «ноосфера» впервые ввел в 1927 г. французский философ Э. Леруа для обозначения оболочки Земли, включающей человеческое общество с его индустрией, языком и прочими видами разумной деятельности. В. И. Вернадский писал: «Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше».
Процесс перехода биосферы в ноосферу будет усиливаться по мере объединения человечества для решения общих, глобальных проблем развития. На заре развития человеческого общества деятельность людей мало отличалась от деятельности других организмов. Человек брал из биосферы средства к существованию и возвращал ей то, что могли использовать другие организмы. По мере развития человеческое общество начинало оказывать все более разрушительное воздействие на биосферу. В современных условиях человек уже осознает, что он должен считаться с законами её развития и с ее возможностями. Неотделимость человека от биосферы указывает на главную цель в построении ноосферы – сохранение биосферы, в которой возник и может существовать человек как вид, сохраняя свое здоровье.