Экологическая система

Понятие об экологической системе

Условия существования экологических систем

Критерии и индикаторы состояния экологических систем

Перенос вещества и энергии в экологических системах

В России развита «биосферная» концепция мирового развития (К.Я. Кондратьев, В.К. Донченко, К.С. Лосев), согласно которой самой важной, «поворотной», точкой в экологическом состоянии Земли является величина допустимого возмущения окружающей среды. Разработана теория биологической регуляции, согласно которой имеется порог устойчивости биосферы. Биосфера способна компенсировать любые возмущения, вызываемые деятельностью человека, пока потребление продукции биоты человечеством не превышает 1 %, а остальные 99 % тратятся на стабилизацию. Этот предел был нарушен в начале XX в., сейчас потребляется около 8 % продукции биоты. Следовательно, экологизация городов и городской среды – это деятельность, направленная на выживание природы и человека.

Экологическая система (экосистема) – это совокупность взаимосвязанных и взаимозависимых совместно обитающих различных видов организмов и условий их существования.

Все экологические системы существуют длительное время, иногда сотни и даже тысячи лет. При этом отдельные популяции системы увеличиваются, численность других уменьшается, но система находится в равновесии. Такое состояние подвижно-стабильного равновесия экосистемы называется гомеостазом.

Гомеостаз – это саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия.

Гомеостаз в природных системах поддерживается тем, что из окружающей среды непрерывно поступает информация, экосистема открыта, накопление вещества сопровождается его распадом. В антропогенных экосистемах нет открытости, для их постоянного функционирования необходимо поддержание гомеостаза, управление им со стороны человека. Например, любой поселок или город пока не может утилизировать все отходы внутри себя, не может обеспечить замкнутый цикл функционирования любых производств, жилых зданий. Везде во всех случаях требуется вмешательство человека для удаления и утилизации отходов, притока энергии и т.д.

В экосистемах первичное органическое вещество образуется в процессе фотосинтеза зелеными растениями, поглощающими солнечную энергию. Энергия фотонов преобразуется в энергию химических связей, при этом в атмосферу выделяется свободный кислород и поглощается диоксид углерода. Благодаря растениям поддерживается стабильный газовый состав атмосферы. Растения ежегодно запасают в результате фотосинтеза энергию около 20,9 × 1022 кДж. Бактерии также могут синтезировать органическое вещество. Животные не способны аналогично растениям синтезировать вещество из солнечной энергии, они используют эту энергию через вещество растений.

В экосистеме первичное органическое вещество последовательно передается от одних живых организмов к другим по трофической (пищевой) цепи.

Трофическая (пищевая) цепь – это ряд взаимоотношений между группами организмов (растений, животных, грибов и микроорганизмов), при реализации которых происходит перенос вещества и энергии путём поедания одних особей другими.

[1] Экологический энциклопедический словарь. – Кишинев: Главная редакция Молдавской советской энциклопедии. И.И. Дедю. 1989.

[2] Трофическая цепь / Биологический энциклопедический словарь / глав. ред. М. С. Гиляров. – М.: Советская энциклопедия, 1986. – С. 648 – 649.

Организмы последующего звена поедают организмы предыдущего звена, и таким образом осуществляется цепной перенос энергии и вещества, лежащий в основе круговорота веществ в природе. При каждом переносе от звена к звену теряется большая часть (до 80 – 90 %) потенциальной энергии, рассеивающейся в виде тепла. По этой причине число звеньев (видов) в цепи питания ограничено и не превышает обычно 4 – 5.

В ее начале, в первом звене, расположены растения, питающиеся солнечной энергией (поэтому их называют автотрофами) и создающие первичное органическое вещество (отсюда другое их название – продуценты). Во втором звене находятся организмы, употребляющие в пищу автотрофы и называющиеся гетеротрофами (питаемыми другими), или консументами (от лат. consumo – потребляю). Они строят белки своего тела из белков растений. Третье звено составляют вторичные консументы – плотоядные животные, использующие животные белки. Имеются и консументы третьего порядка, питающиеся вторичными консументами. Во всех звеньях образуются отходы – листья, отмирающие организмы, отбросы и др. Эти отходы поступают в следующее звено, которое образуют редуценты (от лат. reducentis – возвращающий) – бактерии, грибы, мелкие беспозвоночные и др. Они разлагают органические остатки всех трофических уровней до минеральных веществ. Таким образом, энергия Солнца передается по трофической цепи. Эта схема реальна только для естественной экосистемы. Для городской экосистемы схема приобретает совершенно другой характер, существенно изменяется поток отходов, поступающий в блок биоредуцентов, и т.д.

В соответствии со вторым законом термодинамики процесс непрерывной передачи энергии по трофической цепи сопровождается ее рассеиванием, потерями, ростом энтропии, компенсируемым постоянным поступлением солнечной энергии. В экосистемах создается и расходуется органическое вещество, что позволяет оценивать продуктивность систем скоростью образования вещества. Первичная (основная) продуктивность – это скорость усвоения солнечной энергии организмами-продуцентами, вторичная продуктивность – это продуктивность консументов. Вторичная продуктивность очень низка: при передаче от каждого предыдущего звена к последующему звену трофической цепи теряется около 90...99 % энергии. Если растениями создано на 1 м2 почвы 84 кДж энергии, то продукция первичных консументов составляет 8,4 кДж, а вторичных – около 0,84 кДж [13].

Городские экосистемы, как уже отмечалось, характеризуются измененным потоком энергии по сравнению с природными системами (рис. 1.5). В пищевой цепи место хищников занимает человек, а потребление природной продукции (растений и первичных консументов) носит характер искусственно регулируемого производства, только частично вписывающегося в природный поток энергии. В естественные потоки поступают производимые городскими системами загрязнения, а блок биоредуцентов (деструкторов) полностью или частично теряет свою роль. В городах искусственно меняются потоки энергии и веществ: резко возрастает произведенная человеком и выброшенная в окружающую среду энергия и одновременно растут загрязнения среды, в том числе и не существовавшие ранее в природных системах. Таким образом, по мере роста урбанизированных и вообще антропогенно освоенных территорий полностью меняется привычный для природы поток энергии в пищевой цепи. Он заменяется техногенным потоком энергии и веществ. Антропогенные экоциклы имеют, как правило, неравные по объему ветви деградации и восстановления, вследствие чего и возникают большие объемы отходов (рис. 1.6 а). В природе же эти ветви близки по объемам, а отходы – минимальны, они поступают в среду в виде осадочных отложений (рис. 1.6 б).

Наиболее приемлемый способ взаимоотношений с природой — «мягкое» управление ею главным образом с помощью естественных механизмов саморегуляции или иногда путем технического конструирования таких механизмов. «Мягкое» управление направлено на восстановление природной среды, реализацию желательных природных цепных реакций. Оно базируется на восстановлении бывшей естественной продуктивности экосистем или ее повышении, причем для этого используются основанные на законах природы мероприятия. «Мягкое» управление природой и «мягкое» взаимодействие урбанизированных территорий с природой должны быть приоритетными при градостроительном освоении, экореконструкции. Принципы «мягкого» взаимодействия с природой и сохранения среды жизни, «мягкой» экологической инфраструктуры и урбанизации, «мягкой» (человечной) архитектуры, «мягкого» строительства и «мягкой» реконструкции зданий и реставрации природы должны базироваться на решениях урбоэкологии, архитектурно-строительной экологии, экологической инфрастуктуры, экологической философии и этики. Все эти решения входят в круг урбоэкологии.

Урбоэкология направлена на решение экологических проблем больших частично застроенных и освоенных территорий – стран, областей, поселений, кварталов. В ее задачу входит разработка градостроительных решений, обеспечивающих высокое, экологически обоснованное (ограничиваемое емкостью экосистем, их природно-ресурсным потенциалом) качество жизни и одновременно экологическое равновесие, сохранение в необходимом объеме естественной природы.