Устойчивость экосистем

Устойчивость экосистемы определяется тремя основными факторами: круговоротом веществ, саморегуляцией и видовым разнообразием.

1) Сбалансированный круговорот веществ, при котором количества созданного и потребленного органического вещества равны, обеспечивает равновесие между биотическим компонентом экосистемы и средой. При нарушении этого равновесия в результате жизнедеятельности организмов или внешнего воздействия может произойти смена экосистем.

2) Саморегуляция в экосистеме осуществляется через биотические связи организмов. Численность каждого вида регулируется рядом других видов, являющихся для него конкурентами или симбионтами, жертвами или хищниками, паразитами или хозяевами.

3) Видовое разнообразие является залогом успешной саморегуляции. Основные регуляторные механизмы экосистемы заложены в пищевых цепях. Чем больше видов, тем больше пищевых цепей. Чем разнообразнее пищевые цепи, тем сложнее пищевая сеть в целом. А чем сложнее пищевая сеть (т.е. чем больше видов ест кого-то одного, и чем больше видов служит пищей кому-то одному) тем надежнее саморегуляция в данном сообществе.

Саморазвитие и смена экосистем.

Смена экосистем (саморазвитие экосистем) называется сукцессией. Основной причиной смены экосистем является изменение среды обитания в результате жизнедеятельности организмов. Например, разрастание мхов может привести к заболачиванию почвы, гибели деревьев и в целом к смене всей экосистемы.

Деятельность человека также может приводить к изменениям в экосистемах. Это может быть связано как с уничтожением отдельных видов, так и с нарушением среды обитания в результате хозяйственной деятельности человека.

Различают первичные и вторичные сукцессии.

Первичные сукцессии начинаются на безжизненных участках земной поверхности. Например, на каменистых осыпях сначала поселяются одноклеточные водоросли и лишайники. Они частично разрушают горную породу, создавая условия для заселения другими организмами. Отмирая, они формируют первичный гумус. Затем сюда приходят мхи. Позже поселяются неприхотливые травы, кустарники и за ними деревья.

Вторичные сукцессии происходят на месте ранее существовавших сообществ, например, восстановление леса после вырубки или после пожара, зарастание озера. Они происходят быстрее, поскольку в данном случае уже имеется сформированный почвенный покров и имеется запас биогенных элементов.

Искусственные экосистемы.

Искусственными называют экосистемы созданные и поддерживаемые человеком. Одними из них являются агроэкосистемы – экосистемы, сформировавшиеся на землях сельскохозяйственного пользования. Биотический компонент таких экосистем называется агроценозом.

Сходства естественных экосистем и агроэкосистем:

1) наличие продуцентов, консументов, редуцентов;

2) круговорот веществ;

3) наличие сетей питания;

4) основной источник энергии – солнечный свет.

Отличия агроэкосистем от естественных экосистем:

1)  Низкое видовое разнообразие. Трофические сети здесь проще, а значит саморегуляция слабее. Агроэкосистемы более продуктивны, но неустойчивы.

2)  Низкая конкурентоспособность доминирующих видов. Доминирующие виды (т.е. преобладающие) – это культурные растения. Человек, проводя селекцию, в первую очередь, обращает внимание на их продуктивные качества. По этой причине без участия человека культурные растения не смогут выдержать честной конкуренции с сорняками.

3)  Человек постоянно забирает часть продукции агроценоза и увозит её (в буквальном смысле). Круговорот веществ в агроэкосистеме оказывается неполным, поэтому человек вынужден компенсировать потери питательных веществ путем внесения удобрений.

4)  Указанные выше черты агроэкосистем делают их неустойчивыми, поэтому для их поддержания человек постоянно затрачивает дополнительную энергию, в то время как в естественных экосистемах единственным источником энергии является солнечный свет.

Проявлением неустойчивости агроэкосистем являются вспышки численности насекомых-вредителей. Для борьбы с вредителями используются различные методы. Наиболее предпочтительным является биологический метод, который заключается в использовании против вредителей их естественных врагов (паразитов или хищников).

Биосфера

Биосфера – область распространения жизни на Земле – представляет собой глобальную экосистему планеты. Границы биосферы определяются условиями пригодными для существования живых организмов. Верхней границей жизни в атмосфере является озоновый слой атмосферы. Выше него жизнь невозможна из-за губительного воздействия жесткого солнечного излучения. В гидросфере жизнь распространена во всей толще и даже на самых больших глубинах. В литосфере жизнь встречается до глубины 4 км. Глубже распространению жизни препятствует внутреннее тепло нашей планеты.

В целом биосфера подчиняется всем законам, характерным для любой другой экосистемы, а именно: 1) в биосфере происходит непрерывный круговорот веществ; 2) биосфера существует за счет постоянного притока энергии в виде солнечного света; 3) стабильность биосферы поддерживается сбалансированностью круговорота веществ, высоким видовым разнообразием и механизмами саморегуляции.

Автор учения о биосфере В.И. Вернадский выделил в составе биосферы:

· живое вещество – совокупность всех живых организмов планеты;

· косное вещество – вещество, сформировавшееся без участия живых организмов (магматические горные породы);

· биокосное вещество – вещество, сформировавшееся в результате взаимодействия живых организмов и неживой природы (почва, воздух);

· биогенное вещество – вещество, образовавшееся непосредственно в результате жизнедеятельности организмов (нефть, каменный уголь).

Живое вещество

В составе биосферы живое вещество является наиболее активной частью, хотя на его долю приходится менее 0,001% массы всей биосферы. Живое вещество выполняет ряд биогеохимических функций.

1) Газовая функция заключается в поглощении и выделении газов. При фотосинтезе растения выделяют кислород и поглощают углекислый газ. При дыхании организмов происходит обратный процесс. Некоторые бактерии восстанавливают молекулярный азот.

2) Окислительно-восстановительная функция – окисление и восстановление различных элементов и их соединений. В ходе обмена веществ организмы окисляют углеводы до углекислого газа и воды. Хемотрофные бактерии окисляют железо, серу и другие элементы, используя выделяющуюся энергию на процессы жизнедеятельности. Растения в ходе фотосинтеза восстанавливают углекислый газ до углеводов.

3) Концентрационная функция состоит в накоплении живыми организмами химических элементов в больших по сравнению с окружающей средой количествах. Выполняя концентрационную функцию, живое вещество участвует в создании горных пород (залежи мела, биогенные месторождения руд).

4) Энергетическая функция живого вещества заключается в преобразовании энергии, которое происходит в ходе фотосинтеза, хемосинтеза, энергетического обмена и других процессов жизнедеятельности.

5) Биохимическая функция связана с питанием, дыханием, размножением и другими проявлениями жизнедеятельности организмов.

Биомасса.

Живое вещество характеризуется биомассой. В биосфере оно распределено неравномерно. Верхней и нижней границ биосферы достигают лишь простые формы жизни: бактерии или их споры, споры грибов и т.п. Наибольшая концентрация живого вещества отмечается в местах с наиболее благоприятными условиями – на границах геологических оболочек (гидросферы и атмосферы, атмосферы и литосферы, литосферы и гидросферы).

Основу биомассы суши составляют продуценты (в основном высшие растения). На их долю приходится более 90% биомассы. По мере продвижения от полюсов к экватору биомасса увеличивается.

В мировом океане продуцентами являются в основном низшие растения - водоросли. Особенно велика доля фитопланктона, в массе поедаемого консументами. Поэтому на долю продуцентов в океане приходится менее 10% биомассы, а большую часть составляют консументы. Наибольшая биомасса живого вещества в океане отмечается в прибрежных районах и в зонах активного перемешивания водных масс. Наиболее богатыми являются воды умеренного и субарктического климатических поясов.

Круговорот веществ в биосфере.

В биосфере происходит постоянный круговорот веществ. Вещества из окружающей среды вовлекаются в пищевые цепи, передаются по цепям, преобразуются и опять попадают в окружающую среду. В ходе круговорота веществ поддерживается взаимосвязь живого вещества с окружающей средой. Источником энергии для круговорота является солнечный свет. Процесс непрерывного поступления химических элементов из неживой природы в живую и обратно, происходящий в результате жизнедеятельности организмов, называется биогенной миграцией атомов.

Растения и цианобактерии поглощают из окружающей среды неорганические вещества и в ходе фотосинтеза создают органические, аккумулируя солнечную энергию. Образовавшиеся органические вещества служат пищей для растительноядных и хищных животных. Часть вещества расходуется на рост, а другая окисляется. Окончательную минерализацию органических соединений осуществляют преимущественно бактерии и грибы.

Глобальный круговорот веществ биосферы складывается из отдельных биогеохимических циклов азота, углерода, кислорода и других элементов.

Эволюция биосфера.

Важнейшим фактором эволюции биосферы является деятельность живых организмов. С момента своего появления они начали оказывать влияние на различные геологические оболочки земли, расширяя границы биосферы, изменяя ее состав. В результате их деятельности за миллиарды лет сформировались горные породы органического происхождения, полностью изменился газовый состав атмосферы, в том числе появился озоновый экран. Современная биосфера, в первую очередь, результат деятельности самих организмов.

Появление человека ознаменовало новый этап развития биосферы. Деятельность человечества оказывает огромное влияние на все компоненты биосферы. Человек, овладев громадной энергией, стал мощнейшим фактором эволюции биосферы. Новую стадию развития биосферы, в которой деятельность человека становится определяющим фактором, В.И. Вернадский назвал ноосферой (сферой разума).