Закономерности стабильного состояния экосистем

Экологический кризис следует рассматривать как нарушение человеком естественных связей в экосистемах разного ранга. В нормальном состоянии любой экосистеме присуще устойчивое состояние, называемое гомеостазом, характеризующееся динамическим равновесием между рождаемостью и смертностью, потреблением и освобождением вещества и энергии. Например, если в системе «олень - волк» численность оленя растет, то за счет этого может увеличиться и поголовье волков и, в то же время, будет ограничен рост численности оленей, что в свою очередь позволить сохранить кормовую базу.

Любая экосистема входит в иерархию экосистем и постоянно подвергается внешним воздействиям, стремящимся вывести ее из равновесия. Если это влияние не слишком грубое, то в ходе экологического дублирования нарушенные связи заменяются другими и процесс передачи вещества и энергии продолжается.

Формирование природных взаимоотношений носит закономерный ха­рактер, определенный эволюционными процессами на планете. Так, экоси­стемы способны к саморегулированию, противостоя изменениям и сохраняя состояние равновесия. С точки зрения обеспечения экосистемы энергией говорят об однонаправленности потока энергии. Важное значение в этом плане приобретают два начала термодинамики. Первое начало гласит, что энергия не может создаваться заново и исчезать, а только переходит из одной формы в другую.

Согласно второму началу энергия при любых превращениях стремится перейти в тепло, равномерно распределенное между телами. Общепринятая в физике формулировка второго начала гласит, что в закрытых системах энергия стремится распределиться равномерно, т.е. система стремится к состоянию максимальной энтропии (энтропия - мера внутренней энергети­ческой неупорядоченности). Отличительной особенностью живых тел, экосистем и биосферы в целом является способность создавать и поддержи­вать высокую степень внутренней упорядоченности, т.е. состояния с низкой энтропией. Согласно более общей формулировке второго начала термоди­намики - для открытых систем, коими и являются экосистемы, поддержание жизни на Земле без притока солнечной энергии невозможно.

В экосистемах перенос энергии пищи от ее источника - растений через ряд организмов происходит путем поедания одних организмов другими. Переход к каждому последующему звену уменьшает доступную энергию примерно в 1.0 раз (Закон десяти процентов).

В соответствии со вторым началом термодинамики поток энергии с каждой ступенью уменьшается, т.к. при превращениях одной формы энергии в другую часть энергии теряется в виде тепла. Велика доля энергии, идущая на поддержание структуры экосистемы. При этом большая ее часть расходуется на дыхание. Эффективность природных систем много ниже КПД электромоторов и других двигателей. В живых системах «много горючего» уходит на «ремонт», что не учитывается при расчете КПД двигателей. Любое повышение эффективности биологических систем оборачивается увеличением затрат на их поддержание. Экосистема - это «машина», из которой нельзя «выжать» больше, чем она способна дать. Механизм стабильности экосистем выражен в законах:

1.Закон десяти процентов, или закон Р. Линдемана. Согласно этому закону, только часть энергии, поступающей на определенный трофический уровень, передается организмам, находящимся на более высоких трофических уровнях. Это положение лежит в основе закона пирамиды (Р. Линдемана): с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой переходит в среднем не более 10% энергии.

2.3акон одного процента: изменения энергетики природной экосистемы в среднем на 1% выводит систему из состояния равновесия.

3.Закон однонаправленности потока энергии: энергия, получаемая экоси­стемой и усваиваемая продуцентами, необратимо передается консументам, редуцентам. Говорить о круговороте энергии нельзя.

4.Закон внутреннего динамического равновесия: вещество, энергия, инфор­мация и качество отдельных природных систем и биосферы в целом взаи­мосвязаны, и любое изменение одного из этих показателей вызывает изменение всех других показателей.

Этот закон имеет ряд следствий:

1) Любое изменение среды приводит к развитию природных систем, ведущих к нейтрализации произведенного изменения. Например, увеличение поголовья оленей приводит к истреблению пищевых ресурсов, что может привести к смене одной экосистемы на другую.

2) Слабое воздействие или изменение одного из компонентов экосистемы может вызвать сильное отклонение в других и всей экосистеме в целом. Например, мытье машин на берегу реки, где водятся бобры, приводит к тому, что эти звери покидают обжитый ими участок. Плотины, построенные бобрами, разрушаются, и соответственно понижается уровень воды в реке.

3) Производимые в крупных экосистемах перемены относительно необратимые. Например, локальные сбросы сточных вод на побережье Черного моря привели к необратимому глобальному загрязнению.

4) Любое местное преобразование природы вызывает в глобальной совокупности биосферы ответные реакции, приводящие к неизменности эколого-экономического потенциала («правило Тришкина кафтана»). Например, «чем больше пустынь мы превращаем в цветущие сады, тем больше цветущих садов мы превратим в пустыни».

5. Закон необходимого разнообразия: любая система не может сформироваться го абсолютно одинаковых элементов. Система тем надежнее, стабильнее, чем больше различных видов в ней обитает и, следовательно, чем больше имеется возможностей для экологического дублирования, тем шире пищевая сечь. Например, наибольшую опасность представляет деятельность человека для экосистем районов Севера, где биологическое разнообразие в десятки раз беднее, чем в центральных районах. Кроме того, от видового богатства системы зависит и многообразие экологических факторов, действующих в ней. Человек, прямо (убивая) или косвенно (ухудшая качество природной среды) уничтожая многие виды животных и растений, может полностью подорвать стабильность биосферы. Считается, что для этого может оказаться достаточной потеря 20 - 30% видов.

Медленные, но постоянные изменения происходят в экосистемах и под влиянием внутренних факторов. Когда озеро наполняется илом, оно постепенно превращается в болото, а потом в луг, на котором в дальнейшем вырастают деревья и кустарники. При этом сначала развиваются светолю­бивые и относительно быстрорастущие лиственные породы, под пологом которых начинают расти хвойные.

Процессы последовательной смены биоценозов, протекающие под влиянием как внешних, так и внутренних факторов, называются сукцессиями. Как правило, в ходе сукцессии возрастает продуктивность биоценоза (природного сообщества), увеличивается его видовое разнообразие. Выс­шая, наиболее сбалансированная ступень сукцессии, которая может сущест­вовать очень длительное время, называется климаксом.

Однако прогрессивными процессами характеризуются только сукцес­сии, связанные с естественными постепенными воздействиями. При вторжении человека эволюционные механизмы нарушаются и системы не могут восстановить внутреннее равновесие на прежнем уровне. В лучшем случае они замещаются другими, менее продуктивными и устойчивыми, а в худшем происходит уничтожение или резкое снижение биомассы с невозможностью ее самовосстановления. Например, ситуация в районе Аральского моря.