Цілісність і стійкість екосистем

Будь біогеоценоз являє собою надзвичайно складну динамічну систему, що складається з багатьох сотень і навіть тисяч видів живих організмів, об'єднаних трофічними, топическими і іншими зв'язками. Такі складні природні екосистеми мають власні закони додавання, функціонування і розвитку. Тривалість існування кожної екосистеми підтримується перш за все за рахунок загального кругообігу речовин, здійснюваного продуцентами, консументами і редуцентами, і постійного припливу сонячної енергії. Саме ці два глобальних явища забезпечують їй високу здатність протистояти впливу постійно мінливих умов зовнішнього середовища.

Стійкість екосистеми забезпечується також біологічною різноманітністю й складністю трофічних зв'язків організмів, що входять до її складу.

У багатих видами екосистемах у консументов є можливість обирати різні види продуктів об'єктів і в першу чергу - найбільш масові. Якщо споживання харчової об'єкт стає рідкісним, то консументи перейде на роботу іншим видом, а перший, звільнений від преса виїданням, поступово буде відновлювати свою чисельність. Завдяки такому переключенню підтримується динамічна рівновага між харчовими ресурсами і їх споживачами і забезпечується можливість їх тривалого співіснування.
Таким чином, процес саморегуляції екосистеми проявляється в тому, що все розмаїття її населення існує спільно, не знищуючи повністю один одного, а лише обмежуючи чисельність особин кожного виду певного рівня. Наприклад, в лісі листям деревних рослин харчуються кілька сотень видів комах, але в оптимальних умовах кожен вид представлений незначною кількістю особин, тому їх загальна діяльність не завдає істотної шкоди лісовим деревам. Однак комахи відрізняються великою плодючістю, і якби були відсутні обмежувальні фактори (несприятливі погодні умови, знищення хижими і паразитичними комахами, птахами, хвороботворними мікроорганізмами і т. П.), То чисельність будь-якого виду комах зросла б дуже швидко і призвела б до руйнування екосистеми. Отже, взаємини типу хижак-жертва, паразит-господар взаємно згладжують сплеск чисельності і стабілізують екосистему.

Важливим фактором стабілізації екосистеми є генетична різноманітність особин популяцій. Зміна умов довкілля може викликати загибель більшості особин популяції, адаптованих до колишніх умов існування. Тому чим більше генетично різнорідної є та чи інша популяція екосистеми, тим більший шанс у неї мати організми з алелями, відповідальними за поява ознак і властивостей, що дозволяють вижити і розмножуватися в нові умови і відновити колишню чисельність популяції. Час, необхідний для відновлення популяції, буде залежати від швидкості розмноження особин, так як зміна ознак відбувається тільки шляхом відбору в кожному поколінні.

Стабільність екосистеми залежить також від ступеня коливань умов зовнішнього середовища. В тропіках і субтропіках стабільні і оптимальні для багатьох видів температурні умови, вологість, освітленість. Тому тропічні екосистеми з високим біологічним різноманіттям входять до них організмів відрізняються високою стійкістю. І, навпаки, тундрові екосистеми менш стійкі. Їм властиві різкі коливання чисельності популяцій різних видів.

Здатність екосистеми до саморегуляції і підтримці динамічної рівноваги називається гомеостазу. Гомеостаз екосистеми виражається в здатності зберігати сталість видового складу і чисельності особин, підтримувати відносну стабільність і цілісність генетичної структури в мінливих умовах зовнішнього середовища. Порушення природних ланцюгів харчування під впливом антропогенного чинника, непродумане втручання людини в екосистеми можуть привести до неконтрольованого зростання або зниження чисельності особин певних популяцій і до порушення природних екосистем.

Таким чином, для природної екосистеми характерні три ознаки:

екосистема обов'язково являє собою сукупність живих і неживих компонентів

в рамках екосистеми здійснюється повний цикл, починаючи зі створення органічної речовини і закінчуючи його розкладанням на неорганічні складові;

екосистема зберігає стійкість протягом деякого часу, що забезпечується певною структурою біотичних і абіотичних компонентів.

Прикладами природних екосистем є озеро, ліс, пустеля, тундра, суша, океан, біосфера. Як видно з прикладів, простіші екосистеми входять в більш складно організовані. При цьому реалізується ієрархія організації систем, в даному випадку екологічних. Таким чином, пристрій природи слід розглядати як системне ціле, що складається з вкладених один на іншу екосистем, вищою з яких є унікальна глобальна екосистема - біосфера. В її рамках відбувається обмін енергією і речовиною між усіма живими і неживими складовими в масштабах планети. Загрозлива всьому людству катастрофа полягає в тому, що порушений один з ознак, яким повинна володіти екосистема: біосфера як екосистема діяльністю людини виведена зі стану устойчивости. В силу своїх масштабів і різноманіття взаємозв'язків вона не повинна від цього загинути, вона перейде в новий стійкий стан, змінивши при цьому свою структуру, перш за все неживу, а слідом за нею неминуче і живу. Людина як біологічний вид менше інших має шанс пристосуватися до нових швидко мінливих зовнішніх умов і швидше за все зникне першим.

Екосистема - це сукупність живих організмів, які обмінюються безупинно енергією, речовиною та інформацією один з одним і з навколишнім середовищем. Розглянемо спочатку процес обміну енергією. Енергію визначають як здатність виконувати роботу.

Енергія і продуктивність екосистем

Отже, життя в екосистемі підтримується завдяки непрекращающемуся проходженню через живе речовина енергії, переданої від одного трофічного рівня до іншого; при цьому відбувається постійне перетворення енергії з одних форм в інші. Крім того, при перетвореннях енергії частина її втрачається у вигляді тепла.

Тоді виникає питання: в яких кількісних співвідношеннях, пропорціях повинні знаходитися між собою члени співтовариства різних трофічних рівнів в екосистемі, щоб забезпечувати свою потребу в енергії?

Весь запас енергії зосереджений в масі органічної речовини - біомасі, тому інтенсивність освіти і руйнування органічної речовини на кожному з рівнів визначається проходженням енергії через екосистеми (біомасу завжди можна виразити в одиницях енергії). Швидкість синтезу органічних сполук називають продуктивністю. Розрізняють первинну і вторинну продуктивність. У будь-який екосистемі відбувається освіту біомаси і його руйнація, причому ці процеси повністю визначаються життям нижчого трофічного рівня - продуцентами. Всі інші організми тільки споживають вже створене рослинами органічна речовина і, отже, загальна продуктивність екосистеми від них залежить. Високі швидкості продукування біомаси спостерігаються в природних і штучних екосистемах там, де сприятливі абіотичні чинники, і особливо під час вступу додаткової енергії ззовні, що зменшує власні витрати системи на підтримку життєдіяльності. Така додаткова енергія може надходити в різній формі: наприклад, на оброблюваній полі - у формі енергії викопного палива і роботи, що здійснюється людиною або твариною. Таким чином, для забезпечення енергією всіх особин співтовариства живих організмів екосистеми потрібний певний кількісне співвідношення між продуцентами, консументами різних порядків, детритофагами і редуцентамі. Однак для життєдіяльності будь-організмів, а значить і системи в цілому, тільки енергії недостатньо, вони обов'язково повинні отримувати різні мінеральні компоненти, мікроелементи, органічні речовини, необхідні для побудови молекул живого речовини.

Кругообіг елементів в екосистемі

Звідки спочатку беруться в живу речовину необхідні для побудови організму компоненти? Їх поставляють в харчовий ланцюг всі ті ж продуценти. Неорганічні мінеральні речовини і воду вони беруть із ґрунту, CO2 - з повітря, і з утвореної в процесі фотосинтезу глюкози за допомогою биогенов будують далі складні органічні молекули - вуглеводи, білки ліпіди, нуклеїнові кислоти, вітаміни і т.п. Щоб необхідні елементи були доступні живим організмам, вони весь час повинні бути в наявності. У цьому взаємозв'язку реалізується закон збереження речовини. Його зручно сформулювати наступним чином: атоми в хімічних реакціях ніколи не зникають, не утворюються і не перетворюються один в одного; вони тільки перегруповуються з утворенням різних молекул і з'єднань (одночасно відбувається поглинання або виокремлення енергії). В силу цього атоми можуть використовуватися в самих різних з'єднаннях і запас їх ніколи не виснажується. Саме це відбувається в природних екосистемах у вигляді круговоротов елементів. При цьому виділяють два кругообігу: великий (геологічний) і малий (біотичний). Кругообіг води є одним з грандіозних процесів на поверхні земної кулі. Він грає головну роль в зв'язуванні геологічного і біотичного кругообігу. У біосфері вода, безперервно переходячи з одного стану в інший, робить малий і великий кругообіг. Випаровування води з поверхні океану, конденсація водяної пари в атмосфері і випадання опадів на поверхню океану утворюють малий кругообіг. Якщо ж водяну пару переноситься повітряними течіями на сушу, круговорот стає значно складніше. У цьому випадку частина опадів випаровується і надходить назад в атмосферу, інша - живить ріки й водойми, але в підсумку знову повертається в океан річковим і підземним стоком, завершуючи тим самим великий круговорот. Важлива властивість кругообігу води полягає в тому, що він, взаємодіючи з літосферою, атмосферою і живою речовиною, пов'язує воєдино всі частини гідросфери: океан, річки, грунтову вологу, підземні води і атмосферну вологу. Вода - найважливіший компонент всього живого. Грунтові води, проникаючи крізь тканини рослини в процесі транспірації, привносять мінеральні солі, необхідні для життєдіяльності самих рослин. Узагальнюючи закони функціонування екосистем, сформулюємо ще раз основні їх положення:

природні екосистеми існують за рахунок не забруднюючої середу дармовий сонячної енергії, кількість якої надлишково і щодо постійно;

перенесення енергії і ті речовини через співтовариство живих орга-низмов в екосистемі відбувається по харчовому ланцюгу; всі види живого в екосистемі діляться по тих функцій у цьому ланцюзі на продуцентів, консументів, детритофагов і редуцентов - це біотична структура співтовариства; кількісне співвідношення чисельності живих організмів між трофічними рівнями відбиває трофічну структуру співтовариства, яка визначає швидкість проходження енергії і речовини через співтовариство, тобто продуктивність екосистеми;

природні екосистеми завдяки своїй біотичної структурі невизначено довго підтримує стійкий стан, не що від виснаження ресурсів і забруднення власними відходами; отримання ресурсів і позбавлення від відходів відбуваються в рамках кругообігу всіх елементів.