чем определяется устойчивость естественных экосистем
Устойчивость экосистем: иллюзия или реальность
Основные понятия и теории
Экосистема – это совокупность живых организмов, среды их обитания и связей между ними, посредством которой происходит обмен веществами и энергией. То есть она состоит из частей и связей между ними. Именно от них и зависит устойчивость экосистем.
Если максимально упростить, то ее можно описать так: это перемещение химических элементов от одного живого организма в другой при помощи энергии. Элементов этих не так много. Основными являются углерод, кислород, азот и кальций. Перемещаются они в виде различных органических и неорганических веществ и соединений. Преобразование их из одних форм в другие также происходит при помощи энергии.
В научном мире до сих пор нет единого мнения, какие главные для экосистем причины устойчивости. Преобладает мнение, что чем система сложнее, тем она устойчивее. Речь идет о разнообразии видов флоры и фауны, ее составляющих. Чем больше видов, тем сложнее пищевая цепь и есть возможность, в случае необходимости, замещения одного вида другим. На практике, такая теория, не получила однозначного подтверждения. «Простые» иногда бывают гораздо устойчивее «сложных». В качестве примера всегда приводят Большой Барьерный риф в Австралии. Его видовое разнообразие поражает также, как и его хрупкость. Даже незначительное изменение температурного режима, приведет к его гибели.
Определяется устойчивость экосистемы, как способность сохранять текущее состояние, несмотря на воздействие и влияние внешних факторов. У биологических она называется гомеостаз, который является обязательным условием существования как отдельной клетки и организма, так и всей биосистемы, независимо от ее величины.
Внешний фактор
Внешнее влияние и воздействие – это единственный необходимый и никем не оспариваемый фактор, заставляющий реагировать, вырабатывать определенные способности и вырабатывать устойчивость экосистем.
Внешнее воздействие, каким бы оно ни было, абиотическим – солнечное излучение, температура, давление и так далее, или биотическим, в том числе антропогенным, действует на все живые организмы, от примитивных до высокоразвитых. Кроме того, оно может оказывать влияние на связи между живыми организмами. В любом случае влиянию подвергается вся система через воздействие на ее части. Она реагирует не сразу. Внутри нее происходят изменения. Например: сокращается поголовье, вплоть до полного исчезновения вида на определенной территории или, наоборот, количественный рост. То есть воздействия, применительно к отдельному живому организму или виду, может иметь негативный и позитивный характер. На что организм реагирует – возникает обратная связь. Приспосабливаемость, адаптация, противодействие отдельной части и связи, приводит к тому, что система получает способность сохранять структуру и функции, становится резистентной. Если под воздействием внешних факторов, она утратила часть структуры или функцию, она может ее восстановить. Такую способность принято называть упругостью. Эти качества дают системе возможность вернуться в прежнее или близкое к нему устойчивое состояние. Они и есть у экосистем основа устойчивости.
«Залатывая» одни дыры, система получает новые. Начинает бороться с ними. И так постоянно. Такое состояние называется динамическим равновесием.
Человеческий фактор
К внешним факторам влияния можно отнести и антропогенный. Хотя, человек вроде бы как находится внутри системы, а не за ее пределами.
Экосистемы, по степени участия в их создании человека, могут быть природные и искусственные. Во втором виде степень влияния человека на ее существование и изменения определяющая. Такой же она может быть и на естественные или природные. Человек может оказывать на них такое влияние, что от «устойчивости» не останется следа. Примеры вокруг нас. И нигде, к сожалению, человек не устранил последствия своего воздействия, не восстановил экосистему.
Уровень вмешательства человека в природу уже достиг той отметки, что в опасности не отдельные экосистемы, а биосфера в целом.
Видео — Устойчивость и динамика экосистем
Устойчивость экосистемы.
Однако, в течение определенного и достаточно длительного времени экосистема устойчива и у этой устойчивости есть определенные критерии.
Критерий №1
Поток энергии и круговорот веществ.
Дальше по известной схеме трофических сетей органические вещества переходят с одного уровня на другой и поступают к редуцентам.
Критерий №2
Критерий №3
И все же экосистемы вечными не бывают.
Давайте рассмотрим примеры смен экосистем (кстати, в ЕГЭ эти вопросы встречаются в части С).
Абиотические разрушающие факторы: свет, выветривание, влажность;
Биотические разрушающие факторы: бактерии, лишайники, водоросли, грибы;
Создаются органические вещества, которые способствуют образованию почвы.
Затем появятся травянистые формы, потом кустарники и затем уже деревья.
Сукцессия водоема
Экосистема и ее факторы
Продуценты, консументы и редуценты
Растения, преобразующие энергию солнечного света в энергию химических связей. Создают органические вещества, потребляемые животными.
Пищевые цепи
Взаимоотношения между организмами разных трофических уровней отражаются в пищевых цепочках (трофических цепях), в которых каждое предыдущее звено служит пищей для последующего звена. Поток энергии и веществ идет однонаправленно: продуценты → консументы → редуценты.
В естественных сообществах пищевые цепи часто переплетаются, в результате чего образуются пищевые сети. Это связано с тем, что один и тот же организм может быть пищей для нескольких разных видов. Например, филины охотятся на полевок, лесных мышей, летучих мышей, некоторых птиц, змей, зайцев.
Экологическая пирамида
Экологическая пирамида представляет собой графическую модель отражения числа особей (пирамида чисел), количества их биомассы (пирамида биомасс), заключенной в них энергии (пирамида энергии) для каждого уровня и указывающая на снижение всех показателей с повышением трофического уровня.
Существует правило 10%, которое вы можете встретить в задачах по экологии. Оно гласит, что на каждый последующий уровень экологической пирамиды переходит лишь 10% энергии (массы), остальное рассеивается в виде тепла.
Представим следующую пищевую цепочку: фитопланктон → зоопланктон → растительноядные рыбы → рыбы-хищники → дельфин. В соответствии с изученным правилом, чтобы дельфин набрал 1кг массы нужно 10 кг рыб хищников, 100 кг растительноядных рыб, 1000 кг зоопланктона и 10000 кг фитопланктона.
Агроценоз
Факторы экосистемы
К биотическим факторам относятся все живые существа и продукты их жизнедеятельности. Например: хищники регулируют численность своих жертв, животные-опылители влияют на цветковые растения и т.д. Это и самые разнообразные формы взаимоотношений между животными (нейтрализм, комменсализм, симбиоз).
В результате деятельности человека произошли глобальные изменения: над Антарктикой появились «озоновые дыры», ускорилось глобальное потепление, которое ведет к таянию ледников и повышению уровня мирового океана.
За миллионы лет эволюции растения и животные вырабатывают приспособления к тем условиям среды, где они обитают. Так у алоэ, растения живущего в засушливом климате, имеются толстые мясистые листья с большим запасом воды на случай засухи. У каждого организма вырабатывается своя адаптация.
Формируются привычные биологические ритмы (биоритмы): организм адаптируется к изменениям освещенности, температуры, магнитного поля и т.д. Эти факторы играют важную роль в таких событиях как сезонные перелеты птиц, осенний листопад.
Если адаптация не вырабатывается, или это происходит слишком медленно по сравнению с другими видами, то данный вид подвергается биологическому регрессу: количество особей и ареал их обитания уменьшаются и со временем вид исчезает. Иногда деятельность человека играет решающий фактор в исчезновении видов.
Закон оптимума
За пределами зоны оптимума начинается зона угнетения (пессимума). Если значение фактора лежит в зоне пессимума, то организм испытывает угнетение, однако процесс жизнедеятельности может продолжаться. Таким образом, зона пессимума лежит в пределах выносливости организма. За пределами выносливости организма происходит его гибель.
Фактор, по своему значению находящийся на пределе выносливости организма, или выходящий за такое значение, называется ограничивающим (лимитирующим). Существует закон ограничивающего фактора (закон минимума Либиха), гласящий, что для организма наиболее значим фактор, который более всего отклоняется от своего оптимального значения.
Метафорически представить этот закон можно с помощью «бочки Либиха». Смысл данной метафоры в том, что вода при заполнении бочки начинает переливаться через наименьшую доску, таким образом, длина остальных досок уже не играет роли. Так и наличие выраженного ограничивающего фактора сводит на нет благоприятность остальных факторов.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Саморегуляция и устойчивость экосистем
Любой биоценоз имеет способность к саморегуляции. В чем выражается это базовое свойство экосистем? Численность особей в популяциях контролируется как «сверху», так и «снизу». «Снизу» популяция контролируется наличием и доступностью жизненных ресурсов, а «сверху» на нее оказывают давление организмы, принадлежащие к следующему трофическому уровню. Таким образом, размер популяции подвержен колебаниям, но в нормальных ситуациях они не катастрофичны, а закономерны и привязаны либо к сезонным изменениям абиотических факторов (освещенность, длина дня, температура и пр.), либо к факторам биотическим. Разнообразные формы отношений между разновидовыми популяциями делают из экосистемы целостную биологическую общность.
Долговременное существование экосистем — то есть их устойчивость — обеспечивают взаимодействия между продуцентами, консументами и редуцентами, происходящие благодаря круговороту веществ и поступлению в систему солнечной энергии.
Устойчивость экосистемы обусловлена нескольким причинами.
Биологическим разнообразием — при достаточно большом видовом разнообразии животные-консументы вольны выбирать любые виды пищевых ресурсов, наиболее рассчитывая на массовые и потому доступные. Биологическое разнообразие позволяет целесообразно использовать ресурсы среды. Если птицы в лесу столь активно охотились на определенный вид многоножек, что почти уничтожили их, можно переключиться на других насекомых и червей, давая возможность многоножкам восстановить популяцию.
1. Высокой численностью особей каждого вида в популяции и поддержанием ее на том уровне, который позволяет всем особям находить пропитание и место проживания.
2. Сложными, разветвленные цепями и сетями питания.
3. Сбалансированным (замкнутым) круговоротом веществ.
Взаимоотношения хищник — жертва могут быть примером регуляции численности видов в экосистеме. Колебания численностей удобно представлять в виде взаимосвязанных циклов. Рассмотрим, как изменяется в бореальных лесах Канады численность популяции зайца американского беляка. Примерно раз в 10 лет экологи отмечают подъем и спад популяции зайцев. «Заячьи» колебания коррелируют с численностью популяций некоторых хищников, к примеру, рыси. В тот момент, когда популяция зайцев достигает максимума, увеличивается и популяции рыси. Эта взаимосвязь понятна — в лесах много пищи для хищников, которые чувствуют себя прекрасно и активно плодятся. И наоборот, стоит сократиться численности зайцев (по причине болезней или недостатка кормов от перенаселенности), как рысь испытывает голод и гибнет. Меньше хищников, больше подножного корма — зайцы вновь начинают плодиться, и популяция растет.
Чем определяется устойчивость естественных экосистем
ЛЕКЦИЯ 3. ЭКОСИСТЕМНОЕ РАЗНООБРАЗИЕ.
Сохранение insitu означает сохранение экосистем и естественных мест обитания, а также поддержание и восстановление жизнеспособных популяций видов в их естественной среде, а применительно к одомашненным или культивируемым видам — в той среде, в которой они приобрели свои отличительные признаки.
Как правило, подразумевается сохранение компонентов биологического разнообразия на особо охраняемых природных территориях (ООПТ): заповедниках, заказниках, национальных парках, памятниках природы и т.п. Особо обращается внимание на сохранение местообитаний видов и структуры взаимосвязей.
Биологические системы разных иерархических уровней характеризуются различной структурой, законами развития и функционирования. Поэтому на разных иерархических уровнях необходимо определить: принципы, то есть частные методологические подходы, основанные на исходных научных положениях об объектах биоразнообразия; основные задачи по сохранению объектов; и способы их сохранения.
Исходное научное положение : совокупность функционально взаимосвязанных организмов (биоценоз) и абиотических компонентов среды, в которой они существуют (биотоп, экотоп ), а также поддержание и восстановление жизнеспособных популяций видов в их естественной среде, составляют единую систему (экосистему).
— Сохранение и восстановление природных экосистем, поддержание их средообразующих функций.
— Поддержание естественных процессов развития природных экосистем.
— Сохранение и восстановление экологически сбалансированных природно-культурных комплексов.
— Сохранение и восстановление абиотической среды (абиотических компонентов экосистем).
Полноценное и долговременное сохранение видов и сообществ организмов возможно только в составе природных экосистем, при сохранении типичной для них абиотической среды. Качество абиотических компонентов среды (воды, воздуха, грунта) рассматривается сегодня как важнейший показатель здоровья среды.
Нормальное существование и развитие экосистем предполагает закономерную смену сукцессионных стадий. При разработке стратегии управления биоразнообразием на экосистемном уровне необходимо учитывать их динамический характер. Сохранение экосистем может быть обеспечено только при сохранении разнообразия сообществ, представляющих разные стадии сукцессии, и всего формирующего их видового разнообразия.
Контроль и регулирование использования территорий и акваторий в пределах экологической емкости экосистем. На этом уровне внимание должно уделяться прежде всего сохранению и восстановлению абиотической среды.
Создание особо охраняемых природных территорий с разным режимом охраны. Режим охраны особо охраняемых природных территорий может предусматривать специальные меры по сохранению среды, например, запрет тех или иных типов физического или химического воздействия, охрана уникальных абиотических компонентов среды (водопады, ключи, скалы и др.).
Сохранение и восстановление биотопов как условие сохранения и восстановления биоценозов и экосистем (очистка от загрязнений, рекультивация, мелиорация и др.).
Реконструкция (реставрация) природных экосистем необходима, когда природная экосистема, включая биотоп, разрушена. В качестве необходимого этапа этот метод включает реставрацию биотопа.
Наибольшей устойчивостью и лучшими средообразующими качествами характеризуются искусственные экосистемы, структура которых аналогична структуре природных экосистем. Необходимо уделять особое внимание развитию экологической инженерии как основы конструирования экосистем.
Разнообразие экосистем касается различных сред обитания, биотических сообществ и экологических процессов в биосфере, а также огромного разнообразия сред обитания и процессов в рамках экосистемы.
Количественные показатели биоразнообразия в экосистемах сильно варьируют в зависимости от влияния различных факторов. Следует обратить внимание на то, что в биоценоз входят не только виды, постоянно обитающие в экосистеме, но и виды, проводящие в ней только часть своего жизненного цикла (например, личинки комаров, стрекоз).
Видовой состав и в целом разнообразие биоценоза может быть описано только в определенный момент времени, так как видовое богатство изменяется в результате процессов иммиграции и элиминации видов, непрерывно происходящих в биоценозе.
Временной фактор в той или иной мере учитывается в службах мониторинга окружающей среды. Так, в частности, программы гидробиологического мониторинга в России требуют обязательного проведения анализа в разные сезоны года и оценки состояния водных объектов на основе данных, полученных в весенний, летний и осенний периоды.
В каждый момент времени биоценоз имеет определенное видовое богатство.
Чем разнообразнее условия окружающей среды в данном регионе, чем больше времени в распоряжении организмов для эволюционных преобразований, тем разнообразнее здесь их видовой состав. Рельеф и геологическое строение могут создать разнообразие условий в пределах областей с однородным климатом.
В холмистой местности ее наклон и экспонированность определяют температуру и содержание влаги в почве. На крутых склонах почва хорошо дренируется, что нередко приводит к недостатку влаги для растений, хотя в близлежащих низинных местах почва насыщена влагой. В аридных областях, в поймах и по руслам рек часто можно видеть хорошо развитые лесные сообщества, резко контрастирующие с окружающей пустынной растительностью. На теплых и сухих склонах холма, обращенных на юг, растут иные древесные породы, нежели на холодных и влажных северных. Холмистый рельеф часто ассоциируется с красотой ландшафта, а это означает, что здесь соседствуют богатые и разнообразные сообщества. Живописный пейзаж всегда вызывает восхищение. В этом одна из причин того, почему горы или берега излюбленных водоемов служат местом массового паломничества любителей природы.
Всякий ландшафт на земном шаре претерпевает изменения под действием климатических условий. Огромно влияние на них растительного мира. Ландшафты во всем их разнообразии формировались на протяжении многих тысячелетий и в результате деятельности человека. Они непрерывно изменяются благодаря постоянным поискам эффективных форм землепользования и добычи полезных ископаемых. Человек строит города и прокладывает дороги. Таким образом, ландшафты состоят из ряда природных и культурных элементов. Они воплощают в себе коллективную память природы и тех, кто ее населяет, образуя сложный элемент окружающей среды.
Устойчивость экосистемы обеспечивается также биологическим разнообразием и сложностью трофических связей организмов, входящих в ее состав.
Они формируют 2 блока:
1) Автотрофный (продуценты)
2) Гетеротрофный ( консументы и редуценты )
Продуценты – автотрофные организмы, способные производить органические вещества из неорганических, используя фотосинтез или хемосинтез (растения и автотрофные бактерии).
Устойчивость природных систем к воздействию-способность природных систем сохранять свою структуру и функциональные свойства при антропогенном воздействии.
Установлено три принципа устойчивого развития экосистем:
· 1. В естественных экосистемах использование ресурсов и избавление от отходов осуществляется в рамках круговорота всех элементов (в городах этот процесс нарушается, когда чуждые природе вещества накапливаются на свалках и разрывают круговорот веществ).
· 2. Экосистемы существуют за счет не загрязняющей среду солнечной энергии, количество которой постоянно и избыточно (в городах в основном используется дополнительная энергия, получаемая за счет сжигания ископаемых углеводородов).
· 3. На конце длинных пищевых цепей не может быть большой биомассы (отсюда вытекает предел численности жителей в экосистеме, нарушенный в городах, где происходит неконтролируемый рост населения).
Известный эколог Коммонер свел главные принципы и закономерности существования экосистем к четырем «экологическим императивам», которые в строгом смысле не являются законами, но понятно и образно описывают экологическую среду:
«Все надо куда-то девать». Естественные экосистемы обладают способностью обеззараживать без нарушения экологического равновесия определенное количество вредных веществ; высокой способностью к самоочистке обладают водные экосистемы. Полностью безотходные технологии невозможны. В связи с этим необходимы надежные методы захоронения вредных веществ. Отходы одного производства могут быть включены в технологические процессы других производств.
«Все связано со всем». Экосистема находится в состоянии экологического равновесия. Его можно нарушить уничтожением какого-либо вида или, наоборот, вселением нового. Осушение болот вызывает обмеление рек. Выпас в горных лесах овец, коз разрушает почву, уменьшает впитывание дождевых и снеговых вод, приводит к высыханию родников.
«За все надо платить». В настоящее время необходимо нести расходы на содержание служб, контролирующих рациональное использование природных ресурсов, на восстановление природных экосистем, нарушенных неправильным использованием.
«Природа знает лучше». Нужно изымать (вырубка лесов, охота и рыбный промысел и др.) из экосистемы столько биологических ресурсов, сколько она сама может восстановить за счет собственного гомеостаза.
Конечно, не следует думать, что природу вообще трогать нельзя. Человеку для того и дан разум, чтобы тщательно взвешивать последствия своих действий исходя из законов экологии, и стремиться не только к тому, чтобы компенсировать недостатки, а чтобы свести к минимуму ущерб. Совсем без ущерба для природы человек обойтись не может.
ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ
1. Охарактеризуйте экосистемный уровень сохранения биоразнообразия.
2. Назовите способы сохранения биоразнообразия на данном уровне.
3. Перечислите основные задачи сохранения биоразнообразия.
4. Какова роль биологического разнообразия в устойчивости экосистем?
5. Какие факторы, определяющие устойчивость и развитие экосистем вы знаете?