Классификация и свойства экосистем. 1. Стабильность и регуляция экосистем, понятие о гомеостазе экосистем

Лекция 4.

1. Стабильность и регуляция экосистем, понятие о гомеостазе экосистем.

2. Антропогенные воздействия.

3. Развитие экосистем.

Среда, окружающая организмы, полна всевозможных изменений; смена времён года, смена дня и ночи, частые непредсказуемые изменения погоды. Выживание организма зависит от его способности справляться с изменениями среды. Приводя свою структуру и функции в соответствие с новыми условиями, организмы могут сохранять максимальную активность в пределах более широкого или даже иного диапазона условий.

Живые существа способны не только изменять свои приспособления на протяжении длительных периодов времени, но и быстро реагировать на возникающие в среде изменения (хамелеоны способны в несколько секунд изменять окраску кожи в соответствии с окраской субстрата). Глядя вокруг, мы постоянно отмечаем, что организмы, включая нас самих, реагируют на изменения, происходящие в окружающей среде. К числу таких реакций относятся изменения в использовании различных физиологических механизмов и изменения в самих этих механизмах. Выходя из тёплого помещения на улицу в холодный день, человек начинает дрожать, чтобы генерировать тепло. . Когда человек дрожит, он использует мышечную энергию, которая потенциально у него имеется, и которую можно реализовать, как только это понадобится. Достаточно провести несколько недель на пляже, и кожа темнеет, чтобы защитить организм от вредного действия солнечных лучей. Морфологические изменения - увеличение густоты шерсти при приближении зимы (корова), увеличение числа эритроцитов на больших высотах, выработка гранул пигмента в коже в ответ на воздействие солнечных лучей - связаны с изменением самих физиологических реакций.

Реакции, затрагивающие структуру и функции организма, обычно обратимы, в противном случае они не могли бы следовать за изменениями среды, которые бывают направлены как в ту, так и в другую сторону.

Когда человек выходит из тёмной комнаты на яркий солнечный свет, зрачки его глаз быстро сужаются, ограничивая количество света, попадающего в глаз. Внезапное воздействие тепла вызывает потоотделение, которое повышает потерю тепла через кожу путём испарения и способствует сохранению нормальной температуры тела. Реакции служат для сохранения внутренней согласованности организма и поддержания его функций на оптимальных уровнях.

Само же состояние подвижно - стабильного равновесия экосистемы носит название гомеостаза. Для достижения равновесного состояния, большинство реакций регулируется наподобие регуляции условий в термостате (достигнув заданной температуры, чувствительный к температуре переключатель отключает нагревательный прибор, при понижении температуры, нагреватель включается вновь). О таких реакциях говорят, что они основаны на принципе отрицательной обратной связи ; это означает, что если под влиянием внешних воздействий система отклоняется от своего нормального или желательного состояния, вступают в действие внутренние механизмы реакции, возвращающие систему в нормальное состояние.

Существует три основных требования, предъявляемых к системе с отрицательной обратной связью :

1. реакция должна иметь соответствующую величину.

2. реакция должна возникнуть в соответствующее время.

3. реакция должна иметь соответствующую скорость.

(пример с автомобилем на шоссе при внезапном порыве ветра).

Примеры гомеостаза : листопад, миграция птиц.

Гомеостатичность - важнейшее условие существования любой экологической системы. Сколь бы ни была сложна экосистема, она всегда сбалансирована, устойчива и только поэтому продуктивна.

При некоторых условиях обратная связь, т.е. передача информации, может быть нарушена. В таком случае говорят, что появились помехи. Роль помех могут играть биотические и абиотические факторы среды (например, погода : засуха).

Воздействия помех на популяцию носят случайный, избирательный характер. Те особи, для которых помехи оказались непреодолимыми, погибнут или не дадут потомства, а более стойкие выживут, передав наследственную информацию своим потомкам.

Кибернетический подход позволяет обосновать и объяснить причины биологического равновесия экологических систем и условия, при которых это равновесие (или гомеостаз) обеспечивается. Каждая система обладает запасом информации , под которым понимают количественную меру организованности этой системы. Очевидно, чем более сложна экологическая система, тем больше имеется в ней перекрещивающихся трофических и энергетических цепей и тем выше её информативность. Каждая открытая система получает информацию из внешней среды, причём эта информация стремится вывести систему за пределы, обеспечивающие её выживание. Поэтому стабильность системы будет зависеть от количества информации и это количество должно соответствовать числу нарушений. Иными словами, каждое нарушение должно чем-то компенсироваться. При этом условии накопленная системой информация способна компенсировать нарушения её структуры.

Многочисленные исследования с применением методов математического анализа показали, что экологические системы тем стабильнее во времени и пространстве, чем они сложнее.

Часто некоторые помехи, воздействующие на экосистему носят стрессовый характер.

Стресс - напряженное состояние экосистемы, испытывающей повреждающее воздействие природных и антропогенных факторов, проявляющееся в изменении энергетических процессов, круговорота биогенных веществ и структуры сообщества. Одним из следствий стресса служит увеличение доли выносимой из экосистемы или неиспользуемой в ней продукции и усиление горизонтального переноса веществ. Длительное состояние стресса грозит экосистеме разрушением.

Та область, в пределах которой механизмы отрицательной обратной связи способны, несмотря на стрессовые воздействия, сохранить устойчивость системы, хотя и в изменённом виде, называют гомеостатическим плато.

В силу необходимости человек постоянно вмешивается в процессы, идущие в экосистеме, влияя на неё в целом или на отдельные звенья. Эти воздействия могут проявляться в виде введения в экосистему новых компонентов (например, загрязняющих веществ), или отстрела некоторой части растительноядных копытных, вырубки части деревьев, загрязнения тех или иных составляющих абиотических компонентов природной среды.

Компенсаторные регуляторы не способны преодолеть и сохранить гомеостатичность системы, как правило, при резких антропогенных воздействиях или при естественных воздействиях на структурно упрощенные искусственные системы, каковыми служат, например, сельскохозяйственные культуры. В последнем случае человек вынужден сам компенсировать нарушения, выполнять роль регулятора, в частности, защищая культуры от вредителей и болезней, внося удобрения и др.

Практический смысл гомеостатического плато можно проиллюстрировать на примере загрязнения воды, на пример, при отводе очищенных до определенной степени сточных вод непосредственно в водоем. При этом, обычно имеется в виду, что процессы самоочищения воды происходят не посредственно в водоеме. Поэтому на производстве стремятся определить, какими именно возможностями самоочищения обладает водоем, и в целях экономии ведут цеховую или обще заводскую очистку воды лишь до того уровня биохимического потребления кислород, с которым водоем справится без ущерба для его экосистемы. Но и при таком сбросе сточных вод, растворенный в воде кислород начинает расходоваться на окисление остаточных загрязнений, в результате чего его не дополучат те или иные комплексы организмов, входящих в пищевые цепи и сети. Вся экосистема при этом меняется, т.е. происходит сдвиг на гомеостатическом плато, хотя это и не бросается сразу, а вскрывается лишь спустя некоторое время в результате заметного исчезновения тех или иных видов рыб, возрастания плотности планктона или изменения состава микробного населения. Содержащиеся в сточных водах примеси служат, таким образом, стрессовым фактором, и возможен случай, когда экосистема выйдет из области положительных воздействий, контролируемых механизмами отрицательной обратной связи, что и приводит ее к необратимому разрушению.

В настоящее время на Земле практически не осталось экологических систем, не подверженных в той или иной мере влиянию человека.

Антропогенные воздействия - все формы деятельности человеческого общества, которые приводят к изменению среды обитания организмов.

Любая, возникающая за счет какого-либо воздействия нагрузка в экологической системе, способная вывести ее из среднего естественного состояния, определяется как экологическая нагрузка.

Под допустимой антропогенной нагрузкой на окружающую природную среду понимают нагрузку, которая не меняет качества окружающей природной среды или меняет ее в допустимых пределах, при которых не нарушается существующая экологическая система и не возникают не благоприятные последствия в важнейших популяция. Если нагрузка превышает допустимую, антропогенное воздействие причиняет ущерб популяции, экосистеме, или биосфере в целом.

Для обеспечения высокого качества окружающей среды предельно допустимая экологическая нагрузка (ПДЭМ) не должна вызывать нарушения нормального функционирования данной экосистемы. Для этого должны учитываться все факторы комбинированного и комплексного воздействия на экосистему.

Определение допустимой нагрузки имеет большое значение при проектировании и осуществлении хозяйственного развития, строительстве городов, для определения экономических последствий воздействия и мер направленных на уменьшение таких воздействий.

Для оценки допустимости воздействия различных факторов на окружающую природную среду важным является вопрос о пороговости вредных эффектов воздействия и характере зависимости доза - ответная реакция. Под пороговостью эффекта воздействия на биологические воздействия надо понимать выход реакции биоты за пределы обычных физиологических колебаний, наблюдаемых в процессе гомеостаза.

Воздействие, приводящее к омоложению биогеоценоза, увеличению продуктивности, повышению обмена веществ и энергии, может расцениваться как полезное, желательное ; если такое воздействие не вызывает ухудшения биогеоценозов, оно рассматривается как допустимое.

Пороговость эффекта воздействия на сообщество рассматривают и расценивают по конечному, интегральному эффекту на всю систему.

Определение допустимых для экосистемы антропогенных воздействий основывается на понятии экологического резерва данной системы и интервале допустимых колебаний её состояния. Влияние человека на экосистемы в процессе техногенеза сказывается интенсивно, поскольку своей деятельностью он создает направленные помехи в механизмах передачи обратной связи между компонентами. Они отличаются от естественных, поскольку в процессе эволюции организмы к ним не приспособились, и приспособится не успевают.

Антропогенные изменения природной среды могут быть подразделены на намеренные и ненамеренные.

К намеренным антропогенным изменениям состояния природной среды можно отнести существенные антропогенные изменения, направленные на удовлетворение потребностей человеческого общества: разработка сельскохозяйственных угодий, мелиорация земель, строительство городов ...

К ненамеренным антропогенным изменениям состояния природной среды следует отнести обеднение земли, загрязнение океана нефтепродуктами...

Развитие экосистемы.

Сообщества непрерывно изменяются. Одни организмы умирают, другие рождаются, хотя внешний вид и состав большинства сообществ не меняется. Берёза сменяется берёзой, дрозд - дроздами и т.д. Если экосистема разрушается (выкорчёвка леса, пожар, ураган), то восстановление происходит медленно. Виды, первыми приспособившиеся к нарушенному местообитанию, последовательно заменяются другими до тех пор пока экосистема не достигнет прежней структуры и состава.

Любое новое местообитания (распаханное поле, временная лужа, песчаная лужа) привлекает к себе виды организмов, стремящихся использовать появившиеся ресурсы. Виды, участвующие в сукцессии, сами изменяют среду (затеняют, изменяют влажность). Эти изменения часто приводят к гибели тех видов, которое их вызывают и делают среду более подходящей для других вдов.

Различаю две группы сукцессий:

1. первичная - обоснование и развитие сообществ живых организмов во вновь образовавшихся местообитаниях, в которых прежде живых организмов не было (песчаные дюны, застывшие потоки лавы, породы).

2. вторично - восстановление сообщества после серьезного разрушения.

Развитие растительности на голых скалах, песках или других отложениях неорганического происхождения называется ксерической сукцессией. На ранних стадиях они характеризуются засушливыми условиями.

Гидрическая сукцессия - начинается в открытых водах мелких озер, верховых болот. Может быть вызвана любым фактором, снижающим глубину воды: высыхание, заполнение осадками, дренирование.

Принято считать что сукцессия неизбежно ведет к придельному выражению развития растительности - климаксному сообществу.

Сукцессия продолжается до тех пор, пока добавление к серии новых видов и исключении, поселившихся в данном месте ранее, уже не вызывает изменений среды.

Травянистый рай кустарники деревья.

Существуют преходящие климаксы - развитие сообществ живых организмов во временных водоемах.

Сукцессия возобновляется, как только в среде складываются благоприятные для этого условия.

Циклические климаксы - вид А существует только в присутствии вида В, В - С, а С - А. Например, под действием ветра у основания кустов травы образуются земляные бугорки, которые дренируют и обнажают почву. Бугорки покрываются кустистыми лишайниками, которые вытесняют траву. Кустистые заменяются корковыми, как более устойчивыми по отношению к ветру. Ветер сдувает бугорок почвы, почва покрывается растительностью, и цикл возобновляется.

Изучение сукцессии позволяет сформулировать четыре основных экологических принципа:

1. Сукцессия происходит в одном направлении; виды с большей выносливостью и быстрым ростом, сменяются видами с меряемым ростом и высокой способностью к конкуренции;

2. Сукцессионные виды своей структурой и деятельностью изменяют окружающую среду, часто на собственную погибель и на благо другим видам;

3. Климаксное сообщество в каждом данном месте представляет собой одну из точек в ряду возможных климаксных формаций. На характер климакса влияют: климат, почва, рельеф местности, пожары, деятельность животных.

Климакс может представлять собой совокупность сукцессионных стадий, поддерживаемых локальными факторами