Реакция систем на изменения в окружающей среде. Устойчивость экосистем (принцип Ле-Шателье)

Экологические системы за счет происходящего в них круговорота веществ обладают определенной степенью устойчивости. Это состояние стабильность получило название гомеостаза.

Кроме того, все экологические системы способны развиваться и изменяться. Эта группа свойств получила название динамизм. К динамическим свойствам экосистемы относится сукцессия и цикличность

Для экосистем характерна смена сообществ. Так, заброшенное поле последовательно заселяется вначале многолетними травами, затем кустарниками, и, наконец, древесной растительностью. Изменение экосистем возможно под действием разных причин.

Аллогенные изменения (от греч. алло – другой и генио – порождаю) обусловлены действием геохимичесих сил, действующих на экосистему извне (климатические, геологические факторы). Например, ледник в Европе, Тундра↔лес, мамонт↔слон. Сдвиги в экосистемах могут вызывать такие процессы как эрозия, извержения вулканов, горообразование.

Автогенные изменения обусловлены воздействием процессов, протекающих внутри экосистемы. Их называют развитием экосистемы или экологической сукцессией. При определении сукцессии учитывают 3 момента:

1. Сукцессия происходит под действием сообщества, т. е. биотического компонента экосистемы.

2. Сукцессия – это упорядоченное развитие экосистемы, она определенным образом направлена и поэтому предсказуема.

3. Кульминацией сукцессии является возникновение стабилизированной экосистемы, в которой на единицу потока энергии приходится минимальная биомасса и максимальное количество межвидовых взаимодействий.

Различают первичную и вторичную сукцессии. Первичная – когда развитие сообществ идет во вновь образовавшихся местообитаниях, вторичная - в местах, где была уничтожена ранее существовавшая растительность. В условия Беларуси естественная первичная сукцессия имеет следующее направление:

Водоем (озеро) болото луг лес

Стабильным сообществом развивающейся серии является климаксное. В таком сообществе минимальна или полностью отсутствует годовая чистая продуктивность органического вещества.

Катастрофический климакс – состояние экосистемы, возникшее вследствие катастрофы (пожар, вредители и т. д.). В этом случае сукцессия повторяется.

Результатом сукцессии является установление равновесия между биотическим сообществом и физической средой.

Гомеостаз — это способность биологических систем (организма, популяции и экосистем) противостоять изменениям и сохранять равновесие. Исходя из кибернетической природы экосистем, гомеостатический механизм — это обратная связь. Например, у пойкилотермных животных изменение температуры тела регулируется специальным центром в мозгу, куда постоянно поступает сигнал обратной связи, содержащий данные об отклонении от нормы, а от центра поступает сигнал, возвращающий температуру к норме. В механических системах аналогичный механизм называют сервомеханизмом, например, термостат управляет печью.

Для управления экосистемами не требуется регуляция извне — она является саморегулирующейся системой. Саморегулирующий гомеостаз на уровне экосистемы обеспечен множеством управляющих механизмов. Один из них — субсистема «хищник—жертва». Между условно выделенными кибернетическими блоками управление осуществляется посредством положительных и отрицательных связей. Положительная обратная связь «усиливает отклонение», например, увеличивает чрезмерно популяцию жертвы. Отрицательная обратная связь «уменьшает отклонение», например, ограничивает рост популяции жертвы за счет увеличения численности популяции хищников. Если в эту систему вмешиваются другие факторы (например, человек уничтожил хищника), то в результате нарушается саморегуляция и экологическая система может погибнуть из-за перенаселения травоядными животными, которые уничтожают всю растительность.

Наиболее устойчивы крупные экосистемы и самая стабильная из них — биосфера, а наименее устойчивы — молодые экосистемы. Это объясняется тем, что в больших экосистемах создается саморегулирующий гомеостаз за счет взаимодействия круговоротов веществ и потоков энергии (Ю. Одум, 1975).

Устойчивость экосистем описывается принципом Ле-Шателье-Брауна: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется.

6. Биосфера, ее роль и значение

Самой большой экологической системой нашей планеты, занимающей всю ее поверхность, является биосфера. Термин биосфера в 1875 году предложил Э.Зюсс, а в 1926 году В.И.Вернадский опубликовал учение о биосфере, где определяет биосферу как оболочку жизни Земли или область обитания живых организмов на планете. Глобальная экосистема (экосфера), как и любая экосистема, состоит из абиотической и биотической части.

При общем рассмотрении биосферы, как планетарной экосистемы, особое значение приобретает представление о ее живом веществе как о некой общей живой массе планеты.

Под живым веществом или биотой В. И. Вернадский (автор учения о биосфере) понимает совокупность всех живых организмов планеты как единое целое. Его химический состав подтверждает единство природы — он состоит из тех же элементов, что неживая природа, только соотношение этих элементов различное и строение молекул иное. Живое вещество образует ничтожно тонкий слой в общей массе геосфер Земли. По подсчетам ученых, его масса составляет 2420 млрд т, что более чем в две тысячи раз меньше массы самой легкой оболочки Земли — атмосферы. Но эта ничтожная масса живого вещества встречается практически повсюду — в настоящее время живые существа отсутствуют лишь в области обширных оледенений и в кратерах действующих вулканов. Однако, несмотря на относительно незначительное количество, живое вещество, в соответствии с учением Вернадского, в биосфере выполняет важнейшие функции:

газовая — основные газы атмосферы Земли азот и кислород имеют биогенное происхождение, как и все подземные газы, являющиеся продуктами разложения отмершей органики;

концентрационная — организмы накапливают в своих телах многие химические элементы, среди которых на первом месте стоит углерод, среди металлов - кальций, концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, йода — водоросли (ламинария), фосфора — скелеты позвоночных животных;

окислительно-восстановительная — организмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же осаждения ряда металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S) с переменной валентностью;

биохимическая — размножение, рост и перемещение в пространстве («расползание») живого вещества;

биогеохимическая деятельность человека — охватывает все разрастающееся количество веществ земной коры, в том числе таких концентраторов углерода, как уголь, нефть, газ и др., для хозяйственных и бытовых нужд человека.

На Земле имеется лишь один процесс, который не тратит, а, наоборот, связывает солнечную энергию и даже накапливает ее. Это процесс создания органического вещества в результате фотосинтеза, поэтому всвязывании и запасании солнечной энергии и заключается основная планетарная функция живого вещества на Земле.

Человек тоже является компонентом биосферы. Однако, человечество достигло такого развития, что может уже оказывать существенное воздействие на биосферу, нарушая при этом и круговорот веществ, и стабильность биосферы. К такому воздействию относится активная добыча человеком природных ресурсов, их эксплуатация и переработка и насыщение биосферы веществами, которые не участвуют в круговороте веществ, а линейно накапливаются в биосфере, приводя к ее загрязнению. Сейчас проблема рационализации воздействия человека на окружающую среду находится в центре внимания комплекса дисциплин, занимающихся охраной природы.

Абиотическая часть представлена: 1) почвой и подстилающими ее породами до глубины, где в них еще есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физи­ческой средой перового пространства; 2) атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни; 3) водной средой океанов, рек, озер и т.. п.

Биотическая часть состоит из сочетания всех живых организмов планеты: растений, животных, грибов, микроорганизмов. Они осуществляют важнейшую функцию биосферы ‑ благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивают обмен веществ и энергии между всеми частями биосферы

Биосфера, как целостная система, имеет определенные границы. В состав биосферы входит вся суша планеты Земля, поверхность и глубины морей океанов и пресных наземных водоемов, полярные и высокогорные ледники. В состав биосферы также входит часть атмосферы – тропосфера и нижняя часть стратосферы до озонового слоя (20-25 км от поверхности Земли), поскольку только до озонового слоя могут существовать живые организмы. В более высоких слоях все живое уничтожается ультрафиолетовой радиацией, которая рассеивается озоновым слоем. Нижняя граница биосферы распространяется до глубины 4,5 ‑ 6 км под поверхность земли, где располагаются нефтеносные залежи. На такой глубине в нефтяных водах были выявлены микроорганизмы.