Динамика и стабильность экосистем

Динамика биогеоценозов является основным свойством экосистемы. Например, заброшенный участок Земли сначала завоевывают эфемеры и эфемероиды, затем многолетние травы, кустарники и наконец древесная растительность.

Любой биоценоз зависит от своего биотопа, и наоборот биотоп находится под влиянием биоценоза. Все экологические факторы подвержены изменениям, поэтому развитие биоценозов оказывается совершенно неизбежным явлением. В каждом конкретном случае оно происходит по-разному.

Влияние биотопа на биоценоз называется акцией. Под действием абиотических факторов происходит адаптация организмов, появление новых видов, их сохранение или исчезновение также зависит от экологических факторов. Все эти явления взаимосвязаны. Влияние биоценоза на биотоп называется реакцией. Водоросли, лишайники, мхи поселяются на самых различных горных породах. Корни высших растений сильно изменяют структуру горных пород, почвы. Животные также сильно изменяют строение биотопа. Например, роющие животные перемещают почвы до большой глубины. Антропогенные воздействия сильно меняют общий облик и строение биотопа. Интенсивность использования пастбищ приводит к уничтожению целых биоценозов.

Накопление мертвых остатков живых веществ сильно меняет геохимические процессы в биотической среде. Биоценозы создает микроклимат, меняют экологические условия.

Организмы своими взаимодействиями также изменяют структуры биоценоза и биотопа. Это явление называется коакция.

Таким образом, развитие или динамика биоценоза происходит главным образом основными экологическими факторами, т.е. динамика биоценоза и биотопа происходит под влиянием климатических, геологических, эдафических и биотических факторов. При этом в современных условиях огромное влияние на динамическое развитие биоценозов оказывает деятельность человека. Особенно антропогенно-техногенное воздействие на биоценозы создают иногда катастрофические явления.

Освоение живыми организмами новых территорий называют первичными сукцессиями. В процессе развития создается устойчивый биоценоз. Стабильный биоценоз остается неизменным в течение определенного времени. Под действием катастрофических явлений и экологических факторов происходит изменение биоценозов и их биотопа. Любой биоценоз в процессе развития обновляется. Это явление называется первичной сукцессией.

Вторичной сукцессией называется повторное заселение организмами территорий после катастрофических явлений.

Экологическая сукцессия - это закономерный процесс, результаты которого можно предвидеть; экологическая сукцессия происходит в результате взаимодействия организмов и их сообществ. В результате экологической вторичной сукцессии образуется устойчивый биоценоз и этот вторичный биоценоз отличается высокой продуктивностью, богатым видовым составов. Биоценоз вторичной сукцессии устойчив на внешние экологические факторы и находится в состоянии гомеостаза.

Таким образом, сукцессия происходит в результате изменений сообществом физической среды и взаимодействий конкуренции. Сукцессии бывают аутогенной и аллогенной. Аутогенная сукцессия происходит в результате изменений окружающей среды, вызванных самими организмами. Под действием внешних экологических факторов происходит аллогенные сукцессии. Под воздействием аллогенных сукцессий происходит не только стабилизация экосистемы, но и некоторые экосистемы заполняются органическими веществами и сильно изменяются.

Природные экосистемы без вмешательства человека стабильно развиваются. Человек создает агробиоценозы с бедным видовым составов. Создание агробиоценоза нарушает природное равновесие. Агробиоценозы получают дополнительную энергию от человеческого труда, помимо солнечной энергии. Это поливы, удобрения и т.д. Видовой состав в агробиоценозах резко снижается и естественный отбор заменен искусственным. Таким образом агробиоценоз управляется человеческим трудом.

Агробиоценозы не обладают способностью к самовозобновлению.

В процессах роста растений основные признаки агробиоценозов, т.е. взаимное влияние растений друг на друга и взаимодействие со средой выражены хорошо.

Все формы и проявления жизни не существуют сами по себе, они связаны сложными взаимоотношениями в единый комплекс жизни - биосферу. Именно эти взаимоотношения, эти связи живой природы осуществляют биогенный круговорот веществ, т.е. саму жизнь, и не дают ей прерваться.

Глава 11.Биосфера

Структура современной биосферы выглядит следующим образом:

Биосфера – место обитание организмов. Это местообитание вместе с его организмами делится на три подсферы:

1. Аэробиосфера, населенная аэробионтами, субстратом жизни которых служит влага воздуха - специфический слой образованный микроорганизмами.
2. Гидробиосфера - населенный гидробионтами мировой океан и моря.
3. Геобиосфера - населенный геобионтами слой Земли – литосфера.

В.И. Вернадский писал, что понятие биосфера (область жизни) "введено в биологию Ламарком”, а в геологию Э.Зюссом".

Во времена Ламарка термин "биосфера" употреблялся редко. Он высказывал идеи о геохимической роли живых существ.

Биосфера, по В.И.Вернадскому, это особое геологическое тело, строение и функции которого определяются особенностями Земли и космоса. А живые организмы, популяции, виды и все живые вещества - это формы, уровни организации биосферы. В биосфере в результате жизнедеятельности живого идет постоянное движение(миграция) атомов и они переходят из атмосферы в гидросферу, в земную кору и замыкают свои круговороты возвращаясь в первоначальную среду.

Живое вещество активно регулирует геохимическую миграцию атомов. Благодаря ему сохраняется стабильность биосфреры и осуществляется эволюция как живых организмов, так и всей биосферы в целом, Этот особый вид постоянно изменчивого равновесного состояния В.И.Вернадский называл динамическим равновесием.

Динамическое равновесие характерно не только для биосферы. В таком состоянии находятся атмосфера и ионосфера, а также вся земная кора и подстилающие ее мантии Земли.

Для геосфер, не охваченных жизнью, характерно устойчивое динамическое равновесие. В биосфере динамическое равновесие неустойчиво. Это значит, что биосфера развивается в процессе работы, самосовершенствуется, все более полно, активно и в большем масштабе накапливает, трансформирует энергию, усложняет свою организацию, обогащается информацией.

Биосфера обладает сложной внутренней структурой. Она состоит из трех основных структурных компонентов:

1. Живого вещества;
2. Биокосного вещества.
3. Косного вещества.

Каждый из них характеризуется специфической, динамической структурой и организацией.

Живое вещество - совокупность всех живых существ биосферы, Оно характеризуется весом, химическим составом, и геохимической энергией, а также многообразием видов и их численностью, т.е. растений, животных и микроорганизмов, а также многообразием видов и тенденций роста их численности в процессе эволюции живой природы.

Биоскосное вещество. Живые организмы и неорганическая(или косная) материя на Земле тесно связаны и образуют в совокупности сложные природные тела - биокосные системы. Это явление характерно для биосферы. К структурным компонентом биокосного тела относятся: почвы, илы, кора выветривания, водоносные горизонты, поверхностные воды, ландшафты и др.

Биокосные системы изучаются различными отраслями науки: гидробиологией, гидрохимией, географией, биологией и др.

Органическое вещество Земли имеет двоякую форму: абиогенную и биогенную, т.е. в виде живого вещества, совокупности всех живых организмов и мертвой органики - биокосных веществ. Биокосные, т.е. неживые биогенные органические вещества встречаются во всех оболочках Земли - биосфере, гидросфере, атмосфере, литосфере и др.

Органическое вещество является важнейшей субстанцией почв, наличие и формы которой определяет почвенное плодородие и отличают почвы от горных пород.

Гидросфера является колоссальным вместилищем, резервуаром органического вещества. Во всех типах природных вод суши и в океане действуют механизмы их самоочищения, заключающейся в размножении органического вещества фотохимическим и биохимическим путями.

Горные породы земной коры являются хранилищем колоссального количества захороненного остаточного органического вещества биосферы. Оно находится в них в рассеянном состоянии и образует залежи горючих ископаемых.

Живые организмы и биосфера в целом состоят из тех же химических элементов, которые встречаются в окружающей среде. Во всех живых организмах преобладают в основном 14 элементов, их называют биогенными: Н₂ ;С ;0₂.

Они составляют 99,9% веса живых организмов, образуют 99% веса всей земной коры нашей планеты и тем самым обеспечивают устойчивость жизни на Земле. Все остальные химические элементы находятся в рассеянном состоянии. Большую часть веса живых организмов дают 0₂ и С. Они составляют от 50 до 90% их сухого абсолютного веса. "Совокупность живых организмов – писал В.И.Вернадский, образует лишь малую долю всей массы вещества биосферы, вес этого вещества представляет много триллионов метрических тонн (10¹² ), вес биосферы несколько квинтиллионов тонн(10¹⁸). Жизнь соответствует лишь сотым или десятым процента всей массы живого вещества.

Общую биологическую массу на Земле В.И.Вернадский оценивает в 10¹³ т. Несмотря на то, что живое вещество биосферы, имеет незначительный общий вес(массу), оно выполняет огромную геологическую работу. Верхняя часть литосферы изменяется в жизненном процессе. Между химией земной коры и химическим составом живого вещества исторически сложилась взаимосвязь и взаимозависимость. Живое вещество играет решающую роль в процессах выветривания, осадконакопления, преобразования осадков и формирования из них горных пород. Оно дает начало почти всем горючим и энергетическим телам - ископаемым; железным, марганцевым, алюминиевым и др. рудам, которые прямо или косвенно связаны с процессами и явлениями жизни.

В почвообразовательном процессе также участвуют разнообразные виды растений, животных и микроорганизмов.

Наиболее типичными и главными свойствами биосферы являются неразрывное единство одно- и многокачественности; биологическая продуктивность, прерывность и непрерывность; устойчивость и изменчивость; эволюционируемость. Устойчивость биосферы характеризуется длительностью ее существования на нашей планете.

Живые организмы существенно влияют на микроклимат и геофизические условия место обитания, сами также зависят от физических условий среды. Именно этими взаимоотношениями обусловлена основная черта биосферы, состоящая в том, что она является саморегулирующейся системой. Устойчивость биосферы тесно связана с ее организованностью.

В классических исследованиях академика В. И. Вернадского переосмыслены, конкретизированы и обогащены новым содержанием первоначальные представления и понятия о биосфере, им разработано целостное и относительное завершенное учение о биосфере.

В.И.Вернадский показал все значение биосферы в геохимических процессах Земли. В трудах В.И.Вернадского определены место и роль биосферы относительно геосфер и выявлены ее качественные особенности.

Биосфера занимает особое место по отношению к геосферам. Биосфера - это своеобразная оболочка Земли, или область распространения жизни. От геосфер она отличается и тем, что в ее пределах проявляется геологическая деятельность живых существ растений, животных, микроорганизмов и человека.

Биосфера охватывает поверхность Земли, верхний часть литосферы, всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы - тропосферу. Границы биосферы определяются наличием условий, необходимых для жизни различных организмов. Верхний предел жизни биосферы ограничен интенсивной концентрацией ультрафиолетовых лучей. Физическим пределом распространения жизни в атмосфере является озоновый слой. Поэтому его нижнюю границу можно рассматривать как верхнюю границу биосферы. Озоновый слой ограничивает распространение жизни, ибо выше него концентрация ультрафиолетовых лучей превосходит допустимую для живых организмов норму, а концентрация содержащегося там озона губительна для всего живого. Для живых организмов критическим считается содержание озона в 0,0005% объемного процента. В озоновом слое на высоте 15-26 км от поверхности Земли концентрация его достигает 0,001%, у земной поверхности содержание озона – составляет - 0,000007%.

Нижний предел жизни ограничивает высокая температура земных недр (свыше 100°С). Наивысших пределов ее достигают только низшие организмы - бактерии.

Жизнь и биосфера, как взаимосвязанные процессы, возникли на Земле не сразу, а на определенном историческом этапе прогрессивной эволюции материального мира. Современный облик биосфера приобрела не сразу же после своего возникновения, а постепенно, в продолжительном процессе формирования, дальнейшего изменения и развития, под влиянием совокупности внутренних, внешних, абиотических и биотических условий, факторов и причин.

Изучение биосферы становится все более важной и актуальной задачей. Это вызвано непрерывно возрастающим и усложняющимся воздействием человека на окружающую среду. Люди всегда сталкивались с окружающим их миром живой природы, с огромным разнообразием растений и животных, издавна изучили внешнее и внутреннее строение живых организмов, исследовали особенности их физиологии, закономерности развития, взаимосвязь с окружающей средой. Было выяснено, что организмы обитают в самых разнообразных условиях, что жизнь практически есть и на поверхности материков, и в толще океанов и морей, и даже в атмосфере. Около 50 лет назад, эта вполне уже очевидная истина привлекла внимание русского минеролога-геохимика В.И.Вернадского. Основываясь на обширных исследованиях и расчетах, он впервые показал глобальное значение всей совокупности организмов нашей планеты живого вещества.

Оказалось, что живое вещество представляет собой мощнейший фактор, преобразующий лик Земли. Толща горных пород, вод и атмосферы, изменившаяся под действием жизни и бала названа "биосферой". Теперь это слово уже встречается на страницах газет, звучит в выступлениях общественных деятелей, становится понятным не только ученым, но и всем людям. В последнее время все чаще и тревожнее возникает обоснованная озабоченность судьбой окружающей нас среды, особое значение приобретает проблемы охраны и рационального использования природных ресурсов. Все это требует высокого уровня наших знаний о биосфере.

Жизнь на нашей планете возникла 3 млрд. лет назад. Это произошло в процессе длительной эволюции разнообразных физико-химических систем, включающих и органические вещества. Примерно 400 млн. лет назад первые живые существа начали заселять сушу. Ныне же на поверхности материков, в толще морей и океанов, в приземном слое атмосферы - почти всюду обитают многоликие потомки первых организмов. Все современные виды растений, животных и микроорганизмов в той или иной степени родственны друг другу.

Все они в течении миллиардов лет питались, размножались, отмирали и изменялись под действием естественного отбора и всегда воздействовали на среду своего существования, коренным образом обновился состав атмосферы, природных вод, осадочных пород. Достаточно вспомнить, что 0₂, залежи угля и нефти, большинство отложений известняков, почвенный покров - прямой результат деятельности живых организмов. Косвенных результатов известно еще больше и они не менее важны. К примеру, можно указать на озоновый экран атмосферы, задерживающий губительное для всех наземных обитателей коротковолновое космическое излучение.

Биосфера земли представляет собой сложную термодинамическую открытую систему, которая включает в себя, согласно определению В.И.Вернадского, верхние слои земной коры, гидросферу и атмосферу вместе с населяющими их живыми организмами. Естественным образом биосфера распадается на более или менее самостоятельные единицы, которые характеризуются большой замкнутостью круговорота вещества.

Современная деятельность человека во многом нанесла непредвиденный ущерб окружающей среде, поэтому одна из задач современной экологии - это изучение регуляторных процессов в биосфере, создание научного рационального ее использования.

Вместо заключения.