Саморегуляция и устойчивость экосистем
Благодаря огромному разнообразию жизни на Земле в природе практически нет абсолютно сходных видов, популяций и экосистем. Природное сообщество может включать сотни и тысячи видов. Казалось бы, усложнение экосистемы должно негативно отражаться на её устойчивости, но это не происходит. Устойчивость экосистем обеспечивается следующими правилами и принципами, свойственными экосистемам.
1. Правило внутренней непротиворечивости: в естественных экосистемах деятельность входящих в них видов направлена на поддержание этих экосистем как среды их обитания.
2. Принцип системной дополнительности: подсистемы одной природной системы в своём развитии обеспечивают предпосылку для успешного развития других подсистем, входящих в ту же систему.
3. Закон экологической корреляции: в экосистеме все входящие в неё виды и абиотические компоненты функционально соответствуют друг другу. Выпадение одной части системы ведёт к исключению тесно связанных с этой частью других её частей.
Высокое видовое разнообразие живых организмов обусловливает следующие свойства экосистем:
1) Взаимная дополнительность частей биоценоза. Так, в лиственном лесу деревья перехватывают 70–80% света. Второй ярус – 10–20%, а наземные травянистые растения – 1–2%. Таким образом, дополняя друг друга, растения способствуют более полному использованию солнечного излучения.
2) Взаимозаменяемость видов. Многие виды со сходными экологическими требованиями заменяют друг друга в сообществах. Например, разные виды елей в хвойных лесах или разные виды насекомых-опылителей на лугах. Благодаря этому выпадение или снижение активности одного вида не опасно для экосистемы в целом, так как его функции берут на себя оставшиеся виды.
3) Регуляторные свойства. Как отмечалось ранее, одним из основных условий существования сложных систем является их способность к саморегуляции, которая возникает на основе обратных связей. Принцип отрицательной обратной связи состоит в том, что отклонение системы от нормального состояния приводит в действие механизмы, которые возвращают её в норму. Так, возрастание численности жертв приводит к увеличению численности хищников. Рост плотности популяции выше оптимального уровня так изменяет связи внутри вида, что снижается его воспроизводительная способность или усиливается расселение особей в пространстве. Саморегуляция происходит тем успешнее, чем выше разнообразие видов в биоценозах.
4) Надёжность обеспечения функций. Главные функции биоценоза – создание органического вещества, его последующее разрушение и регуляция численности популяций обеспечиваются множеством видов организмов, которые в своей деятельности как бы подстраховывают друг друга. Например, разложение целлюлозы могут осуществлять специализированные группы бактерий, грибов, личинки насекомых, дождевые черви и др. Рост численности насекомых могут сдерживать многоядные хищники, специализированные паразиты, возбудители инфекционных заболеваний или же ужесточение конкурентной борьбы и внутрипопуляционные взаимоотношения.
Таким образом, главным условием устойчивости экосистем является их видовое разнообразие.
Искусственные экосистемы
Благодаря деятельности человека возникают особые системы, которые отличаются от природных (естественных) рядом признаков.
В сельскохозяйственных экосистемах (агроэкосистемах) резко снижено разнообразие организмов. Виды, культивируемые человеком, не могут выдерживать борьбу за существование с дикими видами без помощи человека. Агроэкосистемы получают дополнительную энергию (кроме солнечной) благодаря деятельности человека. Чистая первичная продукция (урожай) удаляется из экосистемы и не поступает в цепи питания. Вследствие изложенных выше особенностей искусственно создаваемые человеком экосистемы полей, садов, лугов, парков, скверов, газонов и т.д. не способны к саморегулированию и существуют только при постоянном вмешательстве человека. В агроценозах часто происходит чрезмерное увеличение численности отдельных видов, которые могут полностью погубить урожай культивируемых растений. Подавление численности вредителей сельскохозяйственных культур химическими средствами кроме загрязнения среды и включения ядов в цепи питания часто вызывает эффект «экологического бумеранга». Вслед за подавлением численности вредителей вскоре возникает новая, ещё более мощная его вспышка размножения. Нередко применяемые ядохимикаты сильнее влияют на естественных врагов вредителя, чем на его популяции. В результате следующие поколения вредителей полностью освобождаются от воздействия на них хищников и паразитов, и осуществляется их массовое размножение.
Из этого экологического тупика есть только один выход: не идти по пути предельного упрощения агроэкосистем. С экологических позиций крайне опасно упрощать природное окружение человека, превращая весь ландшафт в агрохозяйственный. Основная стратегия по созданию высокопродуктивного и устойчивого ландшафта должна заключаться в сохранении и умножении его разнообразия.
При создании искусственных экосистем необходимо учитывать так называемые экологические законы жизни:
1. Энергия может переходить из одной формы жизни в другую, но она никогда не создаётся вновь и не исчезает бесследно.
2. В соперничестве с другими экосистемами выживает та из них, которая наилучшим образом способствует поступлению энергии и использует её максимальное количество наиболее эффективным способом.
3. Каждый вид организмов, поглощая из окружающей среды необходимые ему вещества и выделяя в неё продукты своей жизнедеятельности, изменяет её в неблагоприятную для себя сторону.
4. Постоянное существование организмов в любом ограниченном пространстве возможно лишь в экосистемах, внутри которых отходы жизнедеятельности одних видов организмов утилизируются другими видами.
5. Устойчивость экосистем определяется соответствием их видового состава условиям жизни и степенью развитости этих систем.
Контрольные вопросы и задания
1. Дайте определение экосистемы и назовите её компоненты.
2. Приведите примеры природных и искусственных экосистем.
3. Что общего и в чём различаются понятия «экосистема» и «биогеоценоз»?
4. Можно ли цветочный горшок с цветущим растением считать экосистемой?
5. Какие функции выполняют в экосистеме продуценты, консументы и редуценты?
6. Что такое трофический уровень, пищевая цепь и пищевая сеть?
7. Какие энергетические процессы происходят в экосистемах? По каким закономерностям энергия передаётся и рассеивается в цепях питания?
8. Что такое продуктивность и биомасса экосистем? Как эти показатели связаны с влиянием экосистем на среду? Назовите факторы, влияющие на продуктивность экосистем.
9. Что такое «экологическая пирамида»? Охарактеризуйте пирамиды чисел, биомассы и продукции (энергии). Какая из них является универсальной?
10. Что называется сукцессией? В чём состоит главная особенность и каковы направления сукцессионных изменений? Приведите примеры первичных и вторичных сукцессий, временных и климаксовых сообществ.
11. Почему экосистемы устойчивы и почему изменяются, что такое равновесие экосистем?
12. Назовите основные правила и принципы, обеспечивающие устойчивость экосистем.
13. Чем отличаются создаваемые человеком экосистемы от природных?
ГЛАВА 7. Биосфера
Понятие о биосфере
Биосфера – это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с организмами.
Начало учения о биосфере связывают с именем французского учёного Ж.-Б. Ламарка (1744–1825), который ещё в 1802 г., не употребляя термина «биосфера», отметил планетарную роль жизни в формировании земной коры, предвосхитив современный взгляд на это понятие. Определение биосферы как особой оболочки Земли и термин «биосфера» были предложены в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом.
На рубеже XIX–XX вв. идея о глобальном влиянии жизни на природные явления была обоснована в трудах крупнейшего учёного-почвоведа В.В. Докучаева.
Развёрнутое учение о биосфере создано академиком В.И. Вернадским, опубликовавшим в 1926 г. труд «Биосфера». Он рассматривал биосферу, с одной стороны, как оболочку Земли, в которой существует жизнь. В этом плане В.И. Вернадский различал газовую, водную и каменную оболочки как составляющие биосферы, области распространения жизни. С другой стороны, В.И. Вернадский подчёркивал, что биосфера – не просто пространство, в котором обитают живые организмы; её состав определяется деятельностью живых организмов и представляет собой результат их совокупной химической активности в настоящем и в прошлом.
Раньше большинство процессов, происходивших на планете, рассматривали как чисто физические и химические (размыв, растворение, осаждение и т.д.). В.И. Вернадский впервые создал учение о геологической роли живых организмов, показав, что их деятельность является главным фактором преобразования земной коры. Биосферой В.И. Вернадский назвал ту область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно подвергается или подвергалась воздействию живых организмов.
Всю совокупность живых организмов на планете он назвал живым веществом. Кроме живого вещества в состав биосферы входят биогенное вещество – продукты жизнедеятельности организмов (каменный уголь, нефть, битумы); биокосное вещество – продукты переработки живыми организмами горных и осадочных пород (почвы, кора выветривания, природные воды) и косное вещество, в образовании которого живые организмы не участвуют (горные породы неорганического происхождения, метеориты, космическая пыль и др.).
Следовательно, биосфера – это та область Земли, которая охвачена влиянием живых организмов. С современных позиций биосферу рассматривают как наиболее крупную глобальную экосистему, поддерживающую планетарный круговорот веществ.
Современная жизнь распространена в верхней части земной коры (литосфере), в нижних слоях воздушной оболочки Земли (атмосфере) и в водной оболочке (гидросфере).
В глубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние. В литосфере жизнь ограничивает температура горных пород и подземных вод, которая на глубине 1,5–15 км превышает 100ºС. Наибольшая глубина, на которой в породах были обнаружены живые бактерии, – 4 км. В нефтяных месторождениях на глубине 2–2,5 км бактерии присутствуют в больших количествах.
В океане жизнь распространена по всей его толще, встречаясь даже в глубоководных океанических впадинах – на глубине 10–11 км. Здесь в условиях полной темноты и высокого давления (>100 атм.) обнаружены достаточно богатые видами сообщества, содержащие бактерий, одноклеточных и многоклеточных животных.
Верхняя граница жизни в атмосфере определяется уровнем ультрафиолетовой радиации, большую часть которой поглощает озоновый экран, который располагается на высоте 15–140 км.
Временное пребывание организмов в толще атмосферы регулярно отмечается на высоте 10–11 км. Бактерии, споры, простейшие регистрировались на высоте 10–15 км и даже выше. Описано нахождение бактерий на высоте 77 км в жизнеспособном состоянии. Если исключить единичные случаи «рекордных подъёмов», верхней границей жизни в атмосфере, по-видимому, следует считать 8–10 км. Основная масса организмов сосредоточена до высоты 1–1,5 км. В горах граница распространения наземной жизни – около 6 км над уровнем моря.
Составные части биосферы – гидросфера, атмосфера и литосфера – тесно связаны друг с другом, составляя вместе единую функциональную систему. Так, почву с гидросферой связывает постоянный вынос почвенных вод в водоёмы разных типов. Переносимые с водой соединения почвы участвуют в формировании биопродуктивности водоёмов. Поглощая и отражая солнечную радиацию, почва выступает как мощный фактор энергетического баланса биосферы, участвует в регулировании влагооборота атмосферы и её газового режима. Функциональная взаимосвязь составных частей биосферы включает и взаимодействие процессов, происходящих в атмосфере и гидросфере: круговорот воды, энергетические связи как через тепловое излучение, так и через процессы фотосинтеза, химические связи: растворение в водах кислорода и углекислого газа, благодаря чему обеспечивается жизнь водных организмов. В целом функциональные связи составных частей биосферы превращают её в саморегулирующуюся экосистему, обеспечивающую глобальный круговорот веществ.