Экологическая система

Как известно, живая материя на Земле имеет несколько уровней организации. Это следующие уровни (от низшего к высшему): молекулярный; клеточный; ткани и органы; организменный; популяционно-видовый; экосистемы; биосфера.

В область, которую изучает наука экология, входит в основном уровень экосистем.

Экосистема - единый природный комплекс, образуемый живыми организмами и средой их обитания (атмосфера, вода, почва и т. п.), в котором живые (биоценоз) и косные (приземный слой атмосферы, почва, солнечная энергия) компоненты связаны между собой обменом веществ и энергии.

Термин «экосистема» может применяться по отношению к природным объектам различной степени сложности и разных размеров: весь океан - и небольшой пруд, тайга - и участок березовой рощи.

В существовании экосистемы и в ее развитии определяющую роль играет воздействие абиотических факторов. Любой абиотический фактор, оказывающий влияние хотя бы на отдельный вид, входящий в состав изучаемой экосистемы, будет влиять и на всю экосистему в целом, на ее фундаментальные свойства. Это объясняется следующими причинами. Во-первых, абиотические факторы в совокупности создают климатический режим экосистемы, на фоне которого протекают процессы жизнедеятельности видов и осуществляется взаимодействие между ними. Во-вторых, все особи, входящие в состав экосистемы, являются объектами воздействия тех или иных абиотических факторов.

Абиотические факторы, влияя на экосистему, будут определять не только свойства этой системы, но и направление ее развития. На организменном уровне абиотические факторы оказывают влияние на поведение особи, изменяют трофические (пищевые) отношения животного (растения) со средой, воздействуют на способность к размножению и плодовитость, определяют развитие, скорость роста и продолжительность жизни животных и растений.

Все организмы в экосистеме делятся на продуценты (автотрофы) и консументы (гетеротрофы).

Продуценты синтезируют с помощью световой энергии из простых неорганических веществ сложные органические соединения. Основные продуценты - зеленые растения. Продуценты составляют первый трофический (пищевой) уровень в экосистеме. Все другие организмы - гетеротрофные, живущие за счет первичной продукции продуцентов.

Консументы, или гетеротрофные организмы, - это животные, бесхлорофилльные растения и некоторые микроорганизмы, которые используют для своего питания органическое вещество, созданное продуцентами.

Первичные продуценты (зеленые растения) ассимилируют энергию солнечного света, а животные-гетеротрофы используют химическую энергию, заключенную в пище растительного и животного происхождения. Следовательно, пища выступает как экологический (биотический) фактор.

Растения, используя энергию солнечного света и питательные вещества из почвы и воды, синтезируют органические соединения. Эти соединения служат растениям строительным материалом, из которого они образуют свои ткани, и вторичным источником энергии, необходимой для поддержания своих функций. Гетеротрофы для высвобождения запасенной ими химической энергии разлагают органические соединения на исходные неорганические компоненты - двуокись углерода, воду, нитраты, фосфаты и т. п., завершая тем самым круговорот питательных веществ.

Исходя из сказанного, можно сделать вывод: экосистема есть основная функциональная единица живой природы, включающая и организмы, и абиотическую среду, причем каждая из этих частей влияет на другую и обе они необходимы для поддержания жизни в том виде, в каком она существует на Земле.

Биотическая часть обязательно включает два основных компонента: автотрофный компонент, для которого характерны фиксация световой энергии, использование неорганических веществ, построение сложных веществ; гетеротрофный компонент, которому присущи утилизация, перестройка и разложение сложных органических веществ.

Во всякой экосистеме можно выделить следующие компоненты:

· неорганические вещества (углерод, азот, углекислый газ, вода и т. д.), вступающие в круговороты;

· органические соединения (белки, углеводы, липиды, гуминовые вещества и т. д.), связывающие биотическую и абиотическую части;

· климатический режим (температура и другие физические составляющие);

· продуценты - автотрофные организмы, главным образом зеленые растения, способные создавать пищу из простых неорганических веществ;

· консументы - гетеротрофные организмы, главным образом животные, которые поедают другие организмы или частицы органического вещества;

· редуценты (деструкторы) - гетеротрофные организмы, преимущественно бактерии и грибы, которые разрушают сложные соединения до простых, пригодных для использования продуцентами.

Первые три группы - неживые компоненты, а остальные составляют биомассу экосистемы.

Структуру экосистемы образуют три уровня трансформации энергии (продуценты, консументы, редуценты) и два круговорота веществ: круговорот твердых и круговорот газообразных.

Продуценты улавливают солнечную энергию и переводят ее в энергию химических связей. Консументы, поедая продуценты, разрывают эти связи. Высвобожденная энергия используется консументами для построения собственного тела. Редуценты рвут химические связи разлагающегося органического вещества и строят свое тело. В результате вся энергия, запасенная продуцентами, оказывается использованной. Органические вещества разлагаются на неорганические и возвращаются к продуцентам.

Трофическая структура экосистемы. Представители разных трофических уровней связаны между собой односторонней направленностью передачи биомассы в пищевых цепях.

Пищевые цепи делятся на два основных типа: пастбищные цепи, которые начинаются с зеленого растения и идут дальше к травоядным животным, а затем к хищникам; детритные (детрит - от лат. detritus - немерный - мелкие частицы органического вещества, образующиеся от отмерших растений и животных, служит пищей животным организмам - детритофагам) цепи, идущие от мертвого органического вещества к детритофагам, а затем к хищникам. Пастбищные цепи в свою очередь объединяют пищевые цепи хищников и пищевые цепи паразитов.

Пищевые цепи хищников, начинаясь от продуцентов, идут к травоядным, поедаемым мелкими плотоядными, а они служат пищей более крупным хищникам. По мере продвижения по цепи хищников животные увеличиваются в размерах, а численность их уменьшается.

Пищевые цепи, начинающиеся с зеленых растений и от мертвого органического вещества, чаще всего в экосистемах представлены совместно. Они не изолированы друг от друга, а тесно переплетены в пищевых сетях. В пищевых сетях каждый продуцент имеет не одного, а несколько консументов, которые в свою очередь пользуются не одним, а несколькими источниками питания.

В результате рассеяния энергии в пищевых цепях и вследствие зависимости метаболизма от размера особей каждое сообщество приобретает определенную трофическую структуру. Графически это можно представить в виде пирамиды, основанием которой служит первый трофический уровень; последующие уровни образуют этажи и вершину пирамиды. Распределение особей по трофическим уровням этой пирамиды обусловливается тем, что в любой экосистеме мелкие животные числено превосходят крупных и размножаются быстрее, а для каждого хищного животного требуются жертвы оптимального размера: хищник питается лишь теми животными, которых он в состоянии одолеть, и вместе с тем не может тратить время и силы на охоту за мелкими животными, которых ему для насыщения требуется огромное количество. Так, для поддержания жизни одного льва требуется 50 зебр в год; биомассу такого числа зебр трудно заменить биомассой мелких грызунов, например мышей.

Понятие о биосфере. Основоположник современного учения о биосфере В.И. Вернадский под биосферой понимал слои земной коры, подвергавшиеся в течение всей геологической истории влиянию живых организмов.

Биосфера как особая оболочка земного шара характеризуется, во-первых, присутствием значительного количества воды в жидком состоянии; во-вторых, поступлением мощного потока энергии Солнца; в-третьих, наличием поверхности раздела между веществами, находящимися в жидком, твердом и газообразном состояниях.

Поскольку источником энергии на Земле является Солнце, то все живые организмы распределены в верхнем слое двух земных оболочек: литосферы и гидросферы. Чем лучше та или иная земная оболочка пропускает солнечные лучи, тем на большую глубину она заселена живыми организмами.

Однако биосфера не кончается там, куда не доходит свет: из освещенных слоев гидросферы с глубины моря непрестанно опускаются мертвые и живые организмы. В литосферу же живые организмы проникают на ничтожную глубину. Основная их масса сосредоточена в верхнем слое почвы толщиной в несколько десятков сантиметров и реже на глубине нескольких метров или десятков метров. По трещинам земной коры, колодцам, шахтам и буровым скважинам животные и бактерии могут попадать на глубину 2,5-3 километров. Проникновение земных растений в глубь литосферы невозможно из-за отсутствия света, а животные не находят там питания.

С поверхности литосферы живые организмы поднимаются в нижние слои атмосферы на высоту от нескольких сантиметров до нескольких метров. А растения возносят свои зеленые кроны вверх иногда на несколько десятков метров. На сотни метров в атмосферу проникают насекомые, летучие мыши и птицы. Восходящие потоки воздуха могут поднимать на несколько километров покоящиеся стадии (споры, цисты, семена) животных и растений. Однако организмы, проводящие всю свою жизнь в воздухе, то сеть связанные с ним как с основной средой обитания, не известны.

Гидросфера, в отличие от атмосферы и литосферы, буквально наполнена жизнью по всей своей толще. Жидкая водная среда является даже более важным лимитирующим фактором для расселения организмов, чем свет.

Если принимать во внимание, что важнейшими лимитирующими факторами биосферы являются вода и солнечный свет, то оптимум жизни приходится на поверхность раздела сред. Наибольший выход органических веществ дают растения, способные использовать все три фазы: твердую, жидкую и газообразную. Примером здесь может служить обыкновенный тростник: воду он получает из водоема, в котором растет, углекислый газ и кислород - из воздуха, а все другие необходимые элементы - из растворенного в капиллярной воде донного осадка. Для существования биосферы крайне важен круговорот основных химических элементов. Длительность обеспечивающих процессов подобный круговорот для различных веществ может составлять от десятков до нескольких миллионов лет.

В разных зонах биосферы развитие жизни в той или иной степени лимитируется различными веществами. Так, в пустыне жизнь ограничена недостатком воды, в океане - недостатком железа, в почвах влажных районов, в озерах и окраинных морях - недостатком фосфора.

Биосфера - это глобальная экосистема. А в экосистеме должны быть сбалансированы все компоненты: от потока энергии, субстрата, вод, атмосферы до биотической совокупности. Внутри биосферы должны быть территориально сбалансированы экосистемы более низкого порядка. Иными словами, на Земле должно быть необходимое количество тундр, лесов, пустынь как биомов (региональных однородных ландшафтов и климата). Внутри биома тундр должна сохраняться оптимальная тундровость, внутри биома хвойных лесов - оптимальная лесистость и так до самых мелких биогеоценозов. Значительные преобразования внутри биомов и смещение в них равновесия между экосистемами низшего порядка неминуемо вызывают саморегуляцию на высшем уровне. Это отражается на многих природных процессах - от изменения глубины залегания грунтовых вод до перераспределения воздушных потоков. Такое же явление наблюдается и на уровне очень крупных систем биосферы при изменении соотношения между территориями биомов.

В соответствии с современными взглядами процесс взаимодействия общества и природы должен носить управляемый характер: научно-технический прогресс не должен приводить к деградации биосферы как среды обитания. Современный этап эволюции биосферы следует рассматривать в качестве нового этапа развития - ноогенеза (от греческого ноос - разум). Соответственно должно происходить постепенное превращение биосферы в ноосферу. По взглядам академика В.И. Вернадского, биосфера неизбежно должна превратиться в ноосферу, то есть в сферу, где разум человека будет играть доминирующую роль в развитии системы человек - природа. Воздействие человека на окружающую природу растет так быстро, что не за горами то время, когда он превратится в основную геологообразующую силу и должен будет принять на себя ответственность за будущее развитие природы. Развитие природной среды и развитие общества сделаются неразрывными. Развитие планеты станет направленным, причем направляться оно будет силой разума! Вернадский писал о том, что согласованное с природой развитие общества потребует специальной организации общества - создания специальных структур, которые будут способны обеспечить это совместное развитие. Значит, ноосфера - это такое состояние биосферы, когда ее развитие происходит целенаправленно, когда разум имеет возможность направлять развитие биосферы в интересах человека и его будущего.