ЕКОЛОГІЧНІ СИСТЕМИ

Живі організми існують в навколишньому природному середовищу.

Середовище - з екологічних позицій це тіла і явища, з якими організм вступає в прямі або непрямі взаємини.

Організми спільно з середовищем їхнього життя становлять єдині життєві системи. Сукупність спільно мешкають різних видів організмів і умов їх існування, закономірно взаємозалежних один з одним, називається екологічною системою. Екосистеми за своїми масштабами ранжуються від першого - глобального рівня до п'ятого - мікрорівня (рис. 1.1). Екосистеми вищого рангу включають в себе екосистеми нижчого рангу.

Екосистеми різних рівнів організації на Землі

Мал. 1.1. Екосистеми різних рівнів організації на Землі

Біосфера є екосистемою вищого (глобального) рівня і являє собою частину твердої, водної та газової оболонок Землі, в якій мешкають живі організми. Термін «біосфера» запропонував австрійський геолог Е. Зюсс. Однак його розуміння біосфери зводилося до сукупності всіх живих організмів на Землі. Біосфера, за Зюссу, є просторово обмежена сукупність організмів [1] .

Біосфера як глобальна екосистема являє собою сукупність всіх екосистем Землі. Вона тісно пов'язана із зовнішньою космічної середовищем. Сама будова біосфери, її структура і еволюція були зумовлені початковими умовами, які існували до сучасного стану Всесвіту. Потоки космічної енергії створюють на Землі умови, без яких життя не змогла б зародитися в минулому і зберегтися до теперішнього часу.

Космічні випромінювання, і особливо енергія Сонця, чинять постійний вплив на всі явища на Землі. Простежується чіткий зв'язок між циклами сонячної активності і процесами в біосфері, яка отримала наукове підтвердження. Першим це обгрунтував А. Л. Чижевський, стверджуючи, що Сонце визначає ритм більшості біологічних процесів на Землі. У періоди появи хромосферою спалахів на Сонці на нашій планеті виникають епідемії, посилюється ріст рослин, різко зростає чисельність сільськогосподарських шкідників і мікробів.

Біосфера знаходиться в залежності від часу обертання Землі, Місяця і Сонця. У зв'язку з цим виділені цикли: 24 години - час обороту Землі навколо своєї осі; 28 годин - час оберту Сонця навколо своєї осі; 1 рік - час обороту Землі навколо Сонця; 11,1 року - середній період сонячної активності та інші, більш тривалі цикли. Космічні ритми впливають на життєдіяльність всіх мешканців Землі.

Вчення В. І. Вернадського про біосферу. Великий внесок у вчення про біосферу вніс академік В. І. Вернадський. Він розумів біосферу як сферу єдності живих організмів і неживої природи. В якості структурних компонентів біосфери Вернадський спочатку виділяв сім різноманітних, але геологічно взаємопов'язаних частин: жива речовина, біогенна речовина, відсталу речовину, биокосное речовина, радіоактивна речовина, розсіяні атоми, речовина космічного походження. В даний час найчастіше розрізняють три типи речовин: живе, відстале і біокос- ве.

Жива речовина - вся сукупність живих організмів (включаючи людину), яка розглядається як однорідне живу речовину. Жива речовина як біогеохімічний фактор кількісно виражається в елементарному хімічному складі, масі і енергії.

Відсталу речовину - продукти, що утворюються без участі живих організмів (мертві небіогенние гірські породи і мінерали).

Біокосна речовина - речовина, що виникає в результаті спільної діяльності організмів і абіогенним процесів (грунт, нафта, торф, вапняки та ін.).

Центральне місце у вченні про біосферу відводиться живої речовини, особливості якого полягають у наступному:

  • - хімічні реакції протікають в живих організмах з дивовижною впорядкованістю і в менш жорстких умовах, ніж поза організмів;
  • - живе речовина здатна заповнити собою весь можливий простір шляхом «розтікання», що реалізується в двох формах: пасивної (зростання і розмноження організмів) і активної (спрямований рух організмів);
  • - жива речовина характеризується значно більшою розмаїтістю, ніж будь-який відсталу речовину, і постійно оновлюється. Воно проводить «геологічну роботу» - збільшує біомасу, змінює середовище проживання, перетворює фізико-хімічні параметри біосфери;

в біосфері жива речовина представлено у вигляді дискретних особин, але ніколи не існує у вигляді відокремлених організмів;

- характерною для живого речовини є здатність до еволюційного процесу.

Жива речовина - наріжний камінь вчення про біосферу В. І. Вернадського. Живі організми створюють в біосфері кругообігу найважливіших біогенних елементів, які по черзі переходять з живого речовини в неорганічну матерію. В. І. Вернадський дійшов висновку, що життя на нашій планеті виникло разом з формуванням Землі, а не в більш пізні терміни, а також не була занесена на неї ззовні. Для всього живого властива дуже висока функціональна активність, яка пов'язана зі здатністю до необмеженого розвитку і кількісного зростання, названа В. І. Вернадським «напором життя».

Основними властивостями біосфери є:

  • - централізація (в центрі - все живі організми);
  • - відкритість (для отримання енергії ззовні);
  • - саморегуляція (здатність відновлення вихідного стану);
  • - різноманітність (середовищ, природних зон, видів живих організмів);
  • - безперервність перебігу процесів (за рахунок кругообігу речовин).

Концепція В. І. Вернадського до сих пір залишається найбільш цілісним, завершеним, основним вченням, в якому він описав процес еволюції біосфери. Їм були зроблені важливі висновки про те, що кожен організм може існувати тільки в тісному взаємозв'язку з іншими організмами і неживою природою; розвиток живих організмів призводить до глибоких змін на Землі. В. І. Вернадський зазначав, що біосфера не тільки «працює і зношується», а й розвивається в процесі роботи, самоусовершен- ствуется, збагачується інформацією.

Згідно з ученням В. І. Вернадського еволюція живої речовини відбувається в бік ускладнення рівня організації, зменшення прямої залежності від місця існування. Світовий еволюційний процес призведе до перебудови біосфери в інтересах природи і людства - утворення ноосфери (сфери розуму). Вчений підкреслював глобальний характер єдності людини і природного середовища.

Вчення В. І. Вернадського про біосферу і ноосферу визнано ключовою, центральною концепцією сучасного природознавства. Однак в даний час виявився суперечливий характер взаємодії людини і природи, який при надмірному втручанні людини в природне середовище може привести до глобальної екологічної кризи і руйнування біосфери.

Стійкість біосфери. Вона заснована на саморегуляції всіх складових її частин і процесів за рахунок здатності повертатися в початковий стан після будь-яких збурюючих впливів. Біосфера дуже стійка: вона існує приблизно 3,8 млрд років. За час існування на біосферу виявлялося потужний космічне і внутріпла- нетарное вплив. Зокрема, за останні 570 млн років відзначено шість глобальних катастроф, що викликали зникнення багатьох видів живої природи. Але біосфера завжди відновлювала свої статки і продовжувала розвиватися.

Найважливішу роль в підтримці життя грає магнітне поле Землі, силові лінії якого оточують земну кулю і утворюють навколо нього магнітосферу, яка захищає живі організми від космічного випромінювання, небезпечного тим, що здатне за відносно короткий термін розкласти на іони і електрони все повітря атмосфери, а отже , знищити життя на планеті. Захисником життя виступає і освічений автотрофними організмами озоновий шар атмосфери, який перешкоджає проникненню короткохвильового ультрафіолетового випромінювання Сонця до поверхні Землі.

Стійкість біосфери підтримується і безперервно протікають процесами на Землі. Одним з них є участь організмів в розкладанні залишків рослинної біомаси. Тканини і органи відмерлих рослин і тварин під впливом організмів-редуцентов розпадаються. Речовини, які входили до складу організмів, знову втягуються в кругообіг речовин.

Ще один спосіб підвищення стійкості біосфери закладений в високому видовому розмаїтті живих організмів. У біосфері діють складні системи зворотних зв'язків і залежностей.

Стійкість підтримується також незмінністю кругооборотов речовин в біосфері. Кругообігу залишалися стабільними, незважаючи на фундаментальні процеси: накопичення кисню, зв'язування інертного азоту, осадження кальцію, утворення кременистих сланців, накопичення фосфору і Г.Д.

Звідси випливає висновок, що стабільне стійке стан біосфери зумовлений в першу чергу діяльністю самого живого речовини, яке, згідно з В. І. Вернадського, «як би сама створює собі сферу життя».

Одна з основ стійкості біосфери укладена в наявності резервів при будь-яких видах впливів природного середовища на організми. Такі резерви і можливості їх реалізації закладені на всіх рівнях організації - від молекулярного до біосферного.

Однак існує і межа стійкості біосфери, вихід за який загрожує серйозними наслідками. Це підтверджується дією правила одного відсотка: зміна енергетики природної системи в середньому на 1% виводить останню зі стану гомеостазу (рівноваги). Дане правило знайшло своє підтвердження при проведенні досліджень в області глобального клімату та інших геофізичних і біофізичних процесів. Так, все великомасштабні природні явища (виверження вулканів, потужні циклони, процес глобального фотосинтезу і т.п.), як правило, мають сумарну енергію, що не перевищує 1% енергії сонячного випромінювання, що досягає поверхні Землі. У випадках переходу енергетики процесу за цей поріг виникають різкі аномалії - кліматичні відхилення, зміни в характері рослинності, великі лісові і стінні пожежі, повені. Тому господарська діяльність людини повинна будуватися з урахуванням збереження стійкого стану біосфери.

Розглянемо докладніше структурні компоненти біосфери.

Біогеоценози виділяють в складі біосфери як екосистеми макрорівня. Розподіл біогеоценозів на земній кулі залежить від умов їх існування. У зв'язку з цим розрізняють такі основні біогеоценози світу (по Ю. Одум): моря, естуарії (гирла річок, де прісна вода вливається в солону морську і перемішується з нею приливами) і морські узбережжя, струмки і ріки, озера і ставки, прісноводні болота , пустелі, тундру, трав'янисті ландшафти, ліси.

Термін «біогеоценоз» запропонував В. Н. Сукачов, який розумів під ним «сукупність на відомому протязі земної поверхні однорідних природних явищ - атмосфери, гірської породи, гідрологічних умов, рослинності, тваринного світу, світу мікроорганізмів і грунту» [2] . Для цієї сукупності характерні специфічні взаємодії компонентів, їх особлива структура і певний тип обміну речовин і енергії (рис. 1.2).

Одним з найважливіших властивостей біогеоценозу є взаємозв'язок і взаємозалежність його складових. Компоненти неживої природи впливають один на одного (випаровування води з грунту і з водних поверхонь збільшує вологість атмосфери, випадання опадів поповнює вміст вологи в грунті і водних об'єктах, від складу грунту залежить її відбивна здатність, яка впливає на прогреваемость атмосфери і т.д.) . По замкнутому циклу відбувається і взаємодія компонентів живої природи (живі організми стають один для одного або їжею, або місцем існування, або фактором смертності; мікроорганізми є збудниками захворювань і т.д.). Між компонентами живої і неживої природи також здійснюється постійний обмін (грунт являє собою середовище проживання тварин, рослин і мікроорганізмів, атмосфера необхідна для їх дихання, що розкладаються залишки живих організмів минерализуются і т.д.). На рівні біогеоценозу відбуваються всі процеси кругообігу речовин і потоку енергії в біосфері.

Схема взаємодії компонентів в біогеоценозах Спільнота і біотоп

Мал. 1.2. Схема взаємодії компонентів в біогеоценозах Спільнота і біотоп. Порівняно дрібні взаємодіючі між собою групи тварин і рослин різних видів називаються співтовариством , або біоценозом. Вони входять до складу біогеоценозів. Навколишнє середовище біоценозів є біотоп (інакше - екотопів). Прикладами спільнот можуть служити конкретні ліс, луг, болото, ставок, галявина, заселені порівняно невеликим числом видів живих організмів. Окремі види, що відносяться до екологічних домінант, можуть мати значний вплив на середовище проживання інших видів в співтоваристві.

Важливою ознакою біоценозів є наявність кордонів між ними, часто нечітко виражених. Між сусідніми биоценозами утворюється прикордонна зона з особливими умовами. У цій зоні збільшуються різноманітність і щільність живих організмів. Таке явище називають крайовим ефектом.

Популяція і стація. Сукупність особин одного виду з загальним генофондом, що займає обмежений простір протягом тривалого часу, утворює популяцію. Всередині популяції здійснюються взаємозв'язку між особинами (заняття території, турбота про потомство, агресивність та ін.), Які носять пристосувальний (адаптивний) характер.

Основними характеристиками популяції є щільність (кількість особин на одиницю площі), народжуваність, смертність, віковий склад, співвідношення особин різної статі, характер розподілу в межах території (рівномірний, випадковий, скупчені) і тип росту (плавний, циклічний, нерегулярний, різкий). У вищих тварин існує складна система підпорядкування - ієрархічна структура популяцій - з виділенням панівних особин - домінант першого, другого і інших порядків.

Абсолютно стабільних за чисельністю популяцій в природі нс існує. З плином часу відбувається зростання або падіння чисельності, що залежать від зміни умов середовища (температури, вологості, кількості корму, наявності конкурентів і хижаків, інфекцій і ін.). Такі коливання чисельності не повинні бути занадто масштабними, оскільки існують верхня і нижня межі для розмірів популяції.

Популяції займають деякі частини простору, що володіють необхідними неорганічними умовами для їх існування, які називаються стації. Таким чином, стація - місце існування популяції, що використовується або в обмежений час (сезонно), або для певних цілей (харчування, розмноження, переживання несприятливих ситуацій).

Від поняття «стація» слід відрізняти поняття «екологічна ніша». Екологічна пишучи - це сукупність всіх факторів середовища, в межах яких можливе існування виду в природі. Вона являє собою місце в біогеоценозах, яке займає вид, що не конкуруючи з іншими видами за джерело енергії.

У природі діє правило заповнення екологічних ніш - порожня екологічна ніша завжди природно заповнюється. Зазвичай екологічна ніша зайнята одним видом. Вона включає хімічні, фізичні, фізіологічні чинники і фактори живої природи. Таким чином, екологічна ніша виду залежить не тільки від наявності неорганічних умов проживання, як стація, але не меншою мірою від факторів живої природи. Місцеперебування може бути одним і тим же для багатьох видів організмів, але ніша - у кожного своя. Наприклад, місцеперебуванням риб є річка, але нішею для карасів є заплави, а для щук - проточна частина. На розміри екологічної ніші великий вплив мають види-конкуренти, які претендують на одну і ту ж нішу або її елементи. Екологічні ніші видів змінюються в просторі з плином часу. Наприклад, личинки і жуки травневого хруща, пуголовки і дорослі жаби мають різну середовище проживання.

На різних територіях одні й ті ж екологічні ніші можуть займати різні, хоча і подібні види. У той же час один і той же вид в різних біоценозах використовує різні ніші. Це залежить від наявності їжі та конкурентів.

Стабільність екосистем. Природні екосистеми існують протягом тривалого часу і знаходяться в стані рівноваги з кліматичними, биогеохимическими умовами і оточуючими їх іншими живими організмами, тобто для них характерна певна стабільність у часі і просторі. Стабільність забезпечується за рахунок збалансованості потоків речовини і енергії і процесів обміну речовин між організмами та навколишнім середовищем. Абсолютною стабільності екосистем бути не може - в окремі періоди спостерігаються відхилення в ту і в іншу сторону, які в цілому не виводять систему з рівноваги. Здатність системи повертатися і підтримувати рівноважний стан називається гомеостазом. За допомогою механізму гомеостазу регулюється чисельність популяцій - вона може зростати до деякого рівня, потім обмеженість харчових ресурсів призупиняє зростання, і чисельність популяції починає знижуватися.

Розрізняють локальну і глобальну стійкість екосистем, яка відображатиме їх здатність протистояти зовнішнім впливам. Під локальної стійкістю розуміють повернення системи в стан рівноваги після незначних зовнішніх впливів, наприклад відновлення біоценозу після весняного річкового наводка. Глобальна стійкість характерна для систем, здатних відновлювати свою рівновагу після сильних збурень, наприклад відновлення зруйнованої екосистеми після виверження вулкана.

У природних біогеоценозах гомеостаз підтримується тим, що вони відкриті для зовнішніх впливів - до них надходять сонячна енергія, речовини. В екосистемах, створених людиною (антропогенних), рівновагу з плином часу порушується і для підтримки гомеостазу потрібне постійне втручання людей.

В екосистемах, незважаючи на притаманне їм властивість стабільності, йде процес саморозвитку спільнот - екологічна сукцесія. Під впливом зовнішніх сил один біогеоценоз змінюється іншим, більш пристосованим до умов, що змінилися. Так, вирубка лісу призводить спочатку до появи трави, потім чагарників, пізніше дерев з відповідним тваринним світом. Ланцюг змінюють один одного біоценозів називається сукцессионной поруч.

Розрізняють первинні і вторинні сукцесії. Первинні сукцесії виникають на раніше вільних від грунту грунтах, наприклад поступове заростання сипких пісків, кам'янистих розсипів, мілин; заселення скель. Вторинні з'являються на місцях зруйнованих співтовариств, де грунт і деякі живі організми збереглися, наприклад заселення рослинними і тваринними організмами лісів після пожеж, занедбаних сільськогосподарських земель, вирубок і ін.

Сукцесія являє собою не тільки зміна живих організмів - біоти , але і всього комплексу неорганічних і органічних умов. У природі діє закон сукцессіонного уповільнення , згідно з яким у міру ускладнення змінюють один одного біоценозів в рівноважних системах проявляється тенденція до більшої стабільності та уповільнення їх зміни. Тривалість сукцессии становить від декількох десятків до мільйонів років.

  • [1] Див .: Баландін Р. К. Вернадський: життя, думка, безсмертя. 2-е изд., Доп. М .: Знание, 1988.
  • [2] Сукачов В. II. Структура біогеоценозів і їх динаміка // Структураі форми матерії. М., 1967. С. 575.
 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >