Экосистемный подход к изучению природы Земли
В ходе становления науки о Земле сложилось несколько подходов к описанию функционирования ее природы: сферный, системный и средовой. В биологических науках в равной мере используется каждый из них. Эти подходы достаточно близки и часто оперируют одними и теми же родо-видовыми понятиями. В рамках системно-синергетической парадигмы при изучении биосферы целесообразно использовать экосистемный подход.
Представление о биосфере как глобальной экосистеме начало формироваться еще в середине XIX века. Его истоки - в биоценологии (греч. koinos - общий; совместно, вместе), основы которой заложил немецкий биолог К. Мебиус (1825-1908). В ее центре - учение о происхождении, строении, развитии во времени и пространстве сообществ живых организмов, проживающих на определенной территории, - биоценозах и условиях их функционирования.
Биоценоз - это сообщество различных видов организмов, связанных между собой определенными отношениями и приспособленностью к условиям окружающей среды, населяющих определенную область - биотоп (греч. topos - место, пространство). Биотоп (или экотоп) представляет совокупность взаимосвязанных участков литосферы, гидросферы и атмосферы, с которыми взаимодействуют организмы и которые являются средой их обитания и источником минеральных ресурсов.
Структура и функционирование биоценоза определяются множественностью взаимосвязей между населяющими его организмами и элементами неживой природы. Его целостность поддерживается за счет прямых и обратных связей трех функциональных групп организмов, входящих в его структуру и обеспечивающих круговорот биогенных элементов. Это продуценты (лат. producentis - производящий; организмы, способные к фото- или хемосинтезу и являющиеся в пищевой цепи первым звеном; создатели органических соединений; к ним относятся все растения), консументы(лат. consumo - потребляю; организмы, потребляющие готовые органические вещества, создаваемые продуцентами) и редуценты(лат. reducentis- восстанавливающий; организмы, разлагающие мертвую органику в неорганические вещества, которые затем вновь поступают в природные круговороты).
Каждый биологический вид включен в одну или несколько пищевых цепей. Их совокупность образует пищевые или трофические(греч. trophe - пища) сети.
Организмы, входящие в состав какого-либо биоценоза, оказываются приспособленными к определенному типу абиотических условий. В сходных природных условиях появляются сходные по своей структуре биоценозы. При этом мелкие биоценозы являются элементами более крупных. Так, обитатели прибрежной зоны водоема входят в биоценоз всего водоема, обитатели лесной поляны входят в биоценоз леса.
В дальнейшем идеи биоценологии развивались в трудах крупного русского ботаника В.Н. Сукачева (1880-1967), который создал учение о биогеоценозах.Биогеоценоз - участок земной поверхности, на котором биоценоз и биотоп объединены в целостный взаимосвязанный природный комплекс. Это более широкое понятие, чем биоценоз, так как включает в свою структуру и косные (неживые) компоненты среды обитания живых организмов. Однако это также неполная природная система, ибо в число компонентов биогеоценоза не входят некоторые важные элементы, например, рельеф местности, ее геологический фундамент, гидротермические условия и т.д. И в этом плане наиболее общим является понятие ландшафта(немецк. land - страна, schaft- вид), определяемого как территория, однородная по своему происхождению и истории развития, неделимая по зональным признакам, обладающая единым геологическим фундаментом, однотипным рельефом, общим климатом, единообразным сочетанием гидротермических условий, почв, биоценозов, однохарактерным набором простых геокомплексов.
Понятие «экосистема» было введено английским ботаником А. Тенсли (1871- 1955). Существует множество определений экосистемы, но среди них можно выделить некоторый инвариант:
экосистема - целостный, развивающийся природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, в котором живые и неживые компоненты связаны между собой и средой обитания потоками вещества, энергии и информации.
В рамках такого определения понятие экосистема близко к понятию биогеоценоза. В ее структуре также присутствуют две группы взаимосвязанных, входящих в ее состав элементов: экотоп и биоценоз.
В любой экосистеме каждый вид занимает определенное положение - экологическую нишу.Известный современный эколог Ю. Одум в своем учебнике «Экология»дает следующее определение: «Экологическая ниша - это не только физическое пространство (со всей присущей ему совокупностью факторов среды - температура, освещенность, влажность, минеральный состав и др.), занимаемое организмом, но и функциональная роль организма в сообществе (его трофическое положение) и его место относительно изменения внешних факторов». Это условия, в пределах которых возможно существование вида. Экологические ниши входящих в экосистему видов не могут полностью совпадать. В противном случае более сильный вид вытесняет более слабый, потеря которого в конечном итоге может привести экосистему к неустойчивости.
Как правило, факторы действуют одновременно, но степень их влияния в сложившихся конкретных условиях может существенно различаться. Отдельные компоненты экосистемы обладают разной степенью устойчивости (толерантности) по отношению к изменениям того или иного фактора. Любому организму для нормального существования необходимо наличие не просто какого-то условия, а вполне определенного интервала его значений. Например, переизбыток влаги, как и ее недостаток по сравнению с естественными потребностями организма, губительно влияют на его жизнь. Экологический фактор, который при определенном наборе условий окружающей среды ограничивает проявление жизнедеятельности населяющих ее организмов, называют лимитирующим (от лат. limes - граница, предел; ограничивающий). Одним из таких факторов является наличие питания. Сколь бы благоприятными ни были другие факторы для жизни популяции, отсутствие питания на данной территории заставляет искать новые места обитания.
· Основные законы функционирования экосистем
Законы функционирования экосистем изучает наука экология. В наиболее простой форме, доступной для понимания, общие законы экологии были сформулированы Б. Коммонером в его знаменитой книге «Замыкающийся круг»:
- все связано со всем;
- ничего не дается даром;
- все должно куда-то деваться;
- природа знает лучше.
Скорее, это афористические высказывания, основанные на эмпирических наблюдениях. Первый закон отражает всеобщую взаимосвязь явлений и процессов, происходящих в окружающем мире. Второй закон утверждает, что любая открытая система может развиваться только благодаря поступающим в нее извне ресурсам в виде вещества, энергии и информации. И нет ни одной системы, которая бы полностью использовала эти ресурсы, то есть невозможно иметь коэффициент полезного действия в 100%, ибо в любой системе всегда будут ресурсы, которые она выбрасывает в окружающее пространство в виде «отходов». В природе эти отходы являются полноценным ресурсом для систем более низкого иерархического уровня. Например, отходы жизнедеятельности продуцентов и консументов являются пищей для редуцентов. В техносфере отходы производств зачастую выбрасываются в окружающую среду и становятся «загрязнителями». Таким образом, «природа знает лучше» и использует в конечном итоге все имеющиеся ресурсы. Этому способствуют естественные круговороты биогенных элементов.
Как и любая отрасль знания, экология вскрывает и более частные, специфические законы развития экосистем. Современная экология вскрыла несколько десятков законов функционирования экосистем. Наиболее важные из них:
1. Закон необходимого разнообразия. Устойчивость экосистемы во многом обусловлена разнообразием видового состава входящих в нее сообществ. Она не может состоять только из организмов одного вида. В ней в обязательном порядке должны сосуществовать продуценты, консументы и редуценты, жизнедеятельность которых обуславливает в экосистеме естественный круговорот биогенных элементов.
2. Закон развития экосистем. Развитие экосистемы можно рассматривать как смену одних сообществ другими, с иным набором господствующих видов, изменение видового разнообразия, изменение пространственной и трофической структуры. Эта смена получила название сукцессии. Выделяют три ее этапа: стадия роста (продукция экосистемы растет до максимума), стабилизации (количество продукции в течение какого-то времени остается постоянным) и климакса (продуктивность катастрофически падает и опускается до нуля). В естественных условиях (без вмешательства человека) экосистемы стремятся за счет саморегуляции к достижению максимальной стабильности и сохранению разнообразия.
3. Закон экспоненциального роста популяции. В благоприятных условиях рост численности (y) любой популяции, в том числе и человечества, с течением времени (x) при благоприятных условиях происходит по экспоненциальному закону (лат. exponens- показывающий; показательная функция y = ex, где е= 2,72). До некоторого момента численностьнарастает медленно. По достижении определенного значения «x»начинается ее последовательное удвоение, причем промежутки времени, в течение которых это происходит, сокращаются. Однако в реальности рост численности происходит значительно медленнее. Этому есть несколько причин: нехватка ресурсов, из которых организмы строят свои тела, неблагоприятные внешние условия, гибель до наступления репродуктивного периода и другие.
4. Закон Либиха - Шелфорда. В общем виде это звучит так. У каждого организма существуют определенные границы выносливости (или толерантности) к факторам окружающей среды. Лимитирующим для развития организмов может быть как минимальное, так и максимальное значение экологического фактора. Оптимальными для организма являются промежуточные значения. При этом организмы могут иметь широкие границы устойчивости по отношению к одному фактору и узкие - к другому. Наиболее распространенными в биосфере оказываются виды с широкими границами толерантности по всем факторам. Если условия для существования вида неоптимальны по одному фактору, то могут сузиться диапазоны толерантности и по другим.
5. Закон конкурентного исключения. Два вида, занимающие одну экологическую нишу, не могут устойчиво сосуществовать на одной территории бесконечно долго, если рост их численности ограничен одним и тем же жизненно важным ресурсом. Побеждает тот из них, у которого более высока толерантность. Вид, не выдержавший конкуренции, оттесняется за пределы ниши и должен приспосабливаться к более тяжелым экологическим условиям.
6. Принцип Ле-Шателье - Брауна был установлен в конце XIX века для термодинамических систем: внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия. Применительно к экосистеме это может быть сформулировано следующим образом: в естественных условиях в экосистеме самопроизвольно устанавливается подвижное равновесие, благодаря которому она сохраняет свое стабильное состояние. В случает интенсивного хозяйственного вмешательства человека это равновесие в экосистеме нарушается, размыкаются биотические круговороты веществ, что в конечном итоге может привести к разрушению экосистемы.
· Биосфера как глобальная экосистема
Впервые термин «биосфера» был введен в научный обиход австрийским геологом Э. Зюссом (1831-1914) в 1875 году. Современное учение о биосфере разработал наш соотечественник В.И. Вернадский (1863-1945). Биосфера, по его определению, это область существования живого вещества, которая включает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы. Это активная оболочка Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в том числе и человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба.
Биосфера является глобальной (франц. global - всеобщий) экосистемой, которая включает все экосистемы Земли. Это сложноорганизованная иерархическая система, между подсистемами которой (организмы, популяции, сообщества, экосистемы) взаимодействия осуществляются посредством обмена веществом, энергией и информацией.
Границы биосферы определяются наличием пригодных для существования живых организмов абиотических условий. Живое вещество занимает очень узкий пространственный интервал на границе микро - и макромира. Верхняя граница биосферы определяется высотой полета птиц (около 12 км), хотя микроорганизмы обнаруживаются и на значительно больших высотах. Нижняя граница биосферы простирается до 3 км в глубь литосферы и до 11 км в глубь гидросферы. Распределение живого вещества внутри биосферы неравномерно. Основная его масса сосредоточена в тонком приземном слое - биостроме (до нескольких сотен метров).
Биосфера, как и любая экосистема, может быть представлена в виде взаимосвязанной совокупности, состоящей из экотопаи биоценоза.
Средний элементный состав живого вещества состоит из наиболее распространенных во Вселенной элементов. От состава экотопа он существенно отличается высоким содержанием биогенных элементов - углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора и серы.
В настоящее время на Земле известно около 500 тыс. видов растений и 1,5 млн видов животных. Соотношение между разными типами организмов можно представить в виде «волчка жизни» (по Н.Ф. Реймерсу). Устойчивое равновесное движение волчка обуславливается пропорциональностью его частей и количеством поступающей от Солнца энергии.
Изменение солнечной активности может привести к существенному изменению соотношения видов, что неоднократно наблюдалось в истории развития биосферы.
Каждый организм представляет собой самоорганизующуюся систему, состоящую из множества функционально согласованных органных систем (нервная, пищеварительная, гормональная, кровеносная, выделительная), основу которых составляют отдельные, согласованно функционирующие органы, состоящие из специализированных клеток. Все организмы и их сообщества находятся в тесном взаимодействии между собой. Их биомасса оценивается в 1, 8*105 кг сухого вещества, при этом биомасса организмов океана составляет всего 0,13% от всей биомассы планеты.
· Самоорганизация и эволюция биосферы
Биосфера является открытой самоорганизующейся системой. Ее эволюция осуществляется благодаря энергоинформационному обмену с окружающим пространством. Временной ход развития биосферы носит направленный характер и выражается в повышении уровня организации, нарастании усложнения и упорядоченности живого вещества: последовательное появление прокариотов (клеток без ядра) - эукариотов (клеток с ядром) - многоклеточных организмов - организмов с твердыми скелетами - организмов с высокоразвитой нервной системой и мозгом - возникновение разумного человека и общества. Этот процесс можно представить как чередование этапов медленных постепенных изменений, прерываемых скачкообразными переходами к новым качественным состояниям.
Процессы самоорганизации биосферы во многом определяются солнечно-земными связями, и прежде всего потоками солнечной энергии, их качеством и периодичностью поступления. Достаточно давно человеком было замечено, что на Земле с определенной повторяемостью изменяется численность отдельных популяций животных и урожайность культур. Обобщил имеющиеся эмпирические данные и дал им теоретическое обоснование А.Л. Чижевский (1897-1964), представив их как «земное эхо солнечных бурь».
Изменение абиотических условий неоднократно приводило биосферу в неустойчивое состояние и ставило живое на грань вымирания. В точках бифуркации неизменно происходила смена форм живого вещества на более приспособленные к новым условиям. Она была связана с изменением строения и функций существующих структурных элементов организмов, появлением и развитием новых органных систем. Но и из старых форм сохранялись отдельные виды, сумевшие выжить. И сегодня мы наблюдаем следы былых биосфер Земли. Благодаря им существует то великое многообразие живых организмов, которое в конечном итоге определяет устойчивость ее развития. Однако в последнее столетие она оказалась нарушенной вследствие интенсивной производственной деятельности человека. Это чревато катастрофическими последствиями не только для живого вещества, но и всей планеты в целом.
ГУМАНИТАРНАЯ КАРТИНА МИРА