|
|
Навигация:  Динамика экосистемы
Динамика экосистемы Кругооборот природных экосистем. Движущей силой изменчивости экосистем является взаимодействие живой и неживой природы. Через экосистемы постоянно проходят потоки веществ и энергии. Рассмотрим динамику этих потоков. Важнейшим свойством потоков веществ в экосистемах является их цикличность. Иными словами, такие вещества как вода, углерод, азот, фтор, сера и другие элементы в экосистеме совершают практически полный круговорот, попадая сначала в живые организмы, затем в абиотическую среду и вновь возвращаясь в живые организмы. Из всех циклических процессов, протекающих в природе, наиболее широко известен гидрологический цикл, или круговорот воды. Он состоит из трех отдельных процессов: - испарения воды (с поверхности озер, прудов, ручьев, болот, рек и океанов); - конденсации паров; - выпадения осадков и их стока. Помимо испарения воды с поверхности вода выделяется растениями, а также физиологическим путем (транспирацией). Однако с поверхности океанов испаряется больше воды, чем возвращается обратно в виде дождей. На суше складывается обратная ситуация: здесь количество воды, испарившейся с поверхности почвы, растений, водоемов, меньше, чем количество осадков, выпадающих в виде дождя (исключение составляют пустыни, где испарение преобладает над осадками). Баланс между количеством осадков и испарением достигается в результате стока воды с суши в океаны в виде рек, ручьев, грунтовых вод. На рис. 1.11 показано воздействие человека на гидрологический цикл. Хозяйственная деятельность человека сильно влияет на круговорот воды в природе. Это влияние может быть целенаправленным и случайным. Например, в промышленных районах количество осадков увеличивается, причиной тому служит обилие мельчайших частиц минеральных веществ, которые ускоряют конденсацию водяных паров. В качестве другого примера приведем усиление стока воды после уничтожения растительного покрова, который в известной степени улавливает и удерживает воду, проникающую в почву. 
Рис. 1.11. Круговорот воды в природе (по П.Ревеллю и Ч.Ревеллю, 1995)
Менее влажная почва приводит к уменьшению в ней микроорганизмов.
Дождевая вода, однако, полностью не свободна от примесей, так как в ней растворяются различные частицы и газообразные вещества, присутствующие в воздухе. И все же дождевая вода отличается большей чистотой. Там, где скудны запасы подземных вод и практически нет рек и водоемов, люди пользуются для своих нужд дождевой водой.
Человек воздействует на гидрологический цикл следующим образом:
- изменяет направление стоков;
- снижает содержание влаги в почве, уничтожая таким образом естественный растительный покров;
- загрязняет воздушную среду, вследствие чего увеличивается интенсивность осадков;
- загрязняет саму водную среду.
Круговорот углерода в природе. Для развития и существования всех живых форм на Земле необходим углерод. Углерод поступает из воздуха в виде двуокиси, или диоксида (С02), углерода и образует молекулярный остов любого органического вещества. Как растения, так и животные используют кислород в процессе дыхания, посредством которого они получают энергию для роста и обмена веществ. Если кислорода достаточно для биохимических реакций, то глюкоза, содержащая энергию органического вещества, расщепляется полностью с образованием воды, двуокиси углерода и энергии. Суммарная реакция расщепления органического вещества (в целом) напоминает реакцию, обратную фотосинтезу:
02 + органическое вещество (например, глюкоза) -> -> ферменты + С02 + Н20 + энергия
Следовательно, атмосферный углерод поступает в живые экосистемы посредством фотосинтеза на уровне продуцентов. В экосистеме углерод перемещается с одного трофического уровня на другой до тех пор, пока не возвратится в атмосферу в результате дыхания живых организмов или пока организмы, в которых он содержится, не погибнут. По мере разложения мертвого вещества происходит распад органических соединений с образованием различных продуктов, в том числе С02. На рис. 1.12 показано воздействие человека на углеродный цикл.
Рис. 1.12. Круговорот углерода в природе (по П.Ревеллю и Ч.Ревеллю, 1995)
Большая часть углерода, вовлеченного в кругооборот, содержится в океанах. Океан поглощает избыток С02 из воздуха, в результате образуются карбонатные и бикарбонатные ионы, от которых и зависит количество С02 в атмосфере. Существует и обратный процесс, в ходе которого С02 выделяется из океанов в атмосферу. Таким образом, океаны, поддерживающие концентрацию С02 в атмосфере на постоянном уровне, играют роль своеобразного буфера.
По мнению ученых, этот механизм обеспечивал в атмосфере окончательное равновесие С02 до тех пор, пока не вмешался фактор индустриализации и естественный баланс круговорота углерода человеком был нарушен. Первый путь нарушения баланса — выбросы в атмосферу С02 от сгорания топлива. Второй путь, как считают ученые всего мира, — это интенсивное сведение лесов, что ведет к уменьшению количества С02, которое способны поглотить растения. Часть С02 при сгорании топлива поглощают океаны, однако большая его часть остается в атмосфере. Результаты анализов убедительно свидетельствуют о том, что содержание С02 в атмосфере начиная с 1950-х гг. неуклонно возрастает, особенно в городах и крупных промышленных районах.
Круговорот азота — важнейшего газа атмосферы — носит весьма своеобразный и замедленный характер. Воздух, которым мы дышим, примерно на 78% состоит из азота (N). Атмосферный азот становится частью живой материи исключительно благодаря жизнедеятельности бактерий и водорослей, которые обладают способностью фиксировать его в органических соединениях и нитратах, образуя аммиак. В малых дозах атмосферный азот связывается с кислородом в процессе грозовых разрядов в атмосфере, а затем с дождями (в виде нитратов) выпадает на поверхность почв. Атмосферный азот поглощается при жизнедеятельности азотофиксирующими бактериями и некоторыми водорослями, способными расщеплять молекулярный азот и использовать его для построения аминокислот, белков и других органических соединений живого вещества.
На рис. 1.13 показан круговорот азота в природе. Животные и растения поглощают азот в виде нитратов. Однако большая часть азота поступает в живые организмы благодаря активности бактерий и водорослей. Аммиак (NH3) выделяется в процессе распада живого вещества, и из него впоследствии образуются нитриты, а затем нитраты. Часть нитратов выпадает из цикла, поступая в глубоководные осадки. Некоторые бактерии обладают способностью разлагать нитраты, выделяя газообразный азот. Как видим, человек в процессе жизнедеятельности заметно влияет на круговорот азота, вводя в окружающую среду новые нитраты и газообразные оксиды азота от сельского хозяйства и промышленных предприятий.
Круговорот фосфора. Источником фосфора (F) в окружающей среде служат главным образом горные породы и древние осадки, которые в процессе гидрологического цикла высвобождаются в результате их эрозии и выщелачивания. Часть образовавшегося фосфора используется в биологических системах, другая, большая, выносится в океаны со стоками вод, где фосфор захоранивается в донных осадках. На рис. 1.14 представлена схема круговорота фосфора, в котором участвуют и осадки фосфора, которые залегают на небольшой глубине, и различные виды организмов, обитающие на дне моря, рыбы и, наконец, птицы, возвращающие фосфор на сушу вместе с экскрементами. Наряду с этим часть фосфора выпадает из круговорота, другая часть используется в качестве удобрений, но большая его часть в конце концов захоранивается в глубоководных океанических осадках. Такой ход событий рано или поздно, впрочем не в ближайшем будущем, приведет к дефициту фосфора в окружающей среде. Фосфор, как и азот, является незаменимым биогенным элементом для растений, и часто его количество бывает недостаточным в воде по сравнению с другими биогенными элементами.
Рис. 1.13. Круговорот азота в природе (по П.Ревеллю и Ч.Ревеллю, 1995)
Вместе с тем фосфаты, поступающие в водоемы с промышленными и бытовыми сточными водами, отходами горных разработок и удобрениями, смываемые с полей, в значительной степени усложняют проблемы, связанными с эвтрофикацией.
Рис. 1.14. Круговорот фосфора в природе (по П.Ревеллю и Ч.Ревеллю, 1995)
Круговорот серы (S) в природе заключается в превращении одной формы в другую благодаря жизнедеятельности различных микроорганизмов, обитающих в почве и океанических осадках (рис. 1.15). Для образования сложных органических соединений, таких как аминокислоты и белки, животным и растениям необходима сера в виде сульфатов. В глубоководных осадках и почве сера образует сульфиды железа, тогда как фосфор переходит из нерастворимой формы в растворимую. Выбросы в атмосферу сульфатов, образующихся в результате сжигания угля с высоким содержанием серы, приводит к перенасыщению атмосферного воздуха оксидами серы, которые обычно присутствуют в нем в очень незначительных количествах. Такое перенасыщение способствует изменению естественного круговорота серы в природе.
Кроме воды, углерода, азота, фосфора и серы в экосистеме циркулируют многие другие вещества. Однако с точки зрения их значимости для живых организмов и роли в решении проблем окружающей среды перечисленные элементы относятся к числу важнейших.
Продуктивность экосистемы. К динамическим процессам экосистемы относится продуктивность. Часто за меру продуктивности принимают прирост массы органического вещества, образовавшегося на данной площади за единицу времени.
Рис. 1.15. Круговорот серы в природе (по П.Ревеллю и Ч.Ревеллю, 1995)
Продуктивность экосистемы может оцениваться в калориях за данный период времени, если мерой ее оценки служит энергия, запасенная зелеными растениями и переносимая с одного трофического уровня на другой.
Продуктивность экосистемы можно подразделить на первичную и вторичную. Под первичной продуктивностью подразумевается общая масса органического вещества, синтезированного зелеными растениями с использованием солнечной энергии. Вторичная продуктивность — это масса органического вещества, образованного гетеротрофными организмами, т.е. грибами, бактериями, животными. Для построения тканей своего организма гете-ротрофы используют энергию и вещество первичных продуцентов, которыми они питаются.
Есть понятие «биомасса экосистемы» или какого-либо участка. Под биомассой подразумевают общую массу всего живого вещества, растительного и животного, произведенного за год и за предыдущие годы, в то время как продуктивность отражает изменение количества органического вещества за данный промежуток времени. Для иллюстрации процесса перехода энергии с одного трофического уровня на другой экологи строят экологические пирамиды, которые дают наглядное представление, какой должна быть первичная продуктивность экосистемы.
В экосистеме очень важен момент доступности произведенного вещества. Здесь необходимо уяснить разницу между общей и чистой продуктивностью, которая переходит в распоряжение консу-ментов следующего трофического уровня и, как правило, не используется полностью. Консументы обычно поглощают не более 5... 15% первичной продукции. Причин здесь несколько — это и недоступность органического вещества (например, содержание ее в кронах деревьев), и колебание вещества в разное время года, и количество животных, использующих органическое вещество, и др. Объясняется это также тем, что какая-то часть пищи не переваривается, а часть энергии, заключенная в переваренной пище, должна пойти на поддержание нормальных жизненных процессов. И наконец, перенос энергии осуществляется не со 100%-ной эффективностью, поскольку часть энергии рассеивается в виде теплоты, а от 1 до 10% пищи, съеденной животными, и используется для синтеза новых веществ в организме. В результате мы имеем экосистему с энергетическим бюджетом, где весь неиспользованный органический материал в конце концов поступает в пищевые цепи, в которых и происходит разложение этого материала. В наземных экосистемах такие процессы протекают в основном в почве, а в водоемах — обычно в слоях воды.
Законы (начала) термодинамики. Энергетический бюджет экосистемы строится на основе первого закона {начала) термодинамики, согласно которому энергия не исчезает и не возникает вновь, а переходит из одной формы в другую. Отсюда следует, что количество энергии, поступающей в экосистему из вне, должно быть равно сумме количества энергии, покидающей экосистему, и количества энергии, остающейся в экосистеме. Первый закон (начало) термодинамики позволяет найти объяснение некоторым явлениям окружающей нас природы. В частности, на продуктивность экосистемы накладываются определенные ограничения, пища имеет в себе запас химической энергии. Попав в живой организм она расщепляется на более простые компоненты, высвобождая энергию. Часть этой энергии аккумулируется в тканях и органах, некоторое количество выделяется в виде теплоты, а также расходуется на биохимические реакции, которые поддерживают жизнедеятельность нашего организма.
Как отмечено ранее, эффективность переноса энергии никогда не достигает 100%, поскольку часть энергии утрачивается в виде тепла. Объясняется это тем, что функционирование живых организмов подчиняется второму закону {началу) термодинамики. Когда не вся энергия, высвобождающаяся в процессе расщепления высокоэнергетических соединений, поступивших с пищей, может быть использована в других реакциях, часть энергии всегда превращается в тепло. В этом заключается одна из причин, почему на вершине пищевых цепей мы видим значительно меньшее число организмов по сравнению с численностью организмов, находящихся в ее основании. На каждом этапе восхождения по пищевой цепи происходит потеря энергии, которая должна восполняться за счет внешнего источника (солнечная энергия, детрит). В противном случае пищевая цепь будет ощущать дефицит энергии, и в конце концов она погибнет.
Второй закон (начало) термодинамики можно сформулировать по-иному: все экосистемы имеют тенденцию к внутренней неупорядоченности или хаосу. Эта формулировка полезна с практической точки зрения. Выброс в атмосферу загрязняющих веществ, которые образуются при сгорании угля, служит наглядной иллюстрацией второго закона (начала) термодинамики. Эти вещества, попадающие в атмосферу из труб электростанций, спонтанно рассеиваются в атмосфере, и их концентрация становится менее опасной для здоровья человека. Исходя из второго закона (начала) термодинамики можно прогнозировать последствия загрязнения и роста численности населения. Увеличение числа людей вызовет увеличение загрязнения в окружающей их среде. Один из примеров — загрязнение воздуха, вызванное увеличением выработки энергии.
Законы термодинамики часто упускаются человеком из виду. Однако они очень важны для понимания взаимосвязей между организмами и того влияния, которое они оказывают на окружающую среду. Вместе с тем использование этих законов природы при производстве электроэнергии поможет свести к минимуму воздействие на окружающую среду.
Динамика популяций. Рассмотренные ранее отдельные части экосистем и некоторые процессы позволяют обсудить размеры и распределение различных популяций в экосистемах. Популяция (от фр. populares — народ, население) — это совокупность особей одного вида, находящихся во взаимодействии между собой и совместно населяющих общую территорию. Основными характеристиками популяции являются следующие показатели: численность; плотность; рождаемость; смертность; прирост особей; темп роста и др.
Кроме того, популяция имеет определенную структуру: возрастную (соотношение особей разного возраста); сексуальную (соотношение полов); пространственную (колонии, семьи, стаи).
Возрастная структура популяции является ее важной характеристикой, влияющей на рождаемость и смертность. Соотношение разных возрастных групп в популяции определяет ее способность к размножению в данный момент. В быстрорастущих популяциях значительную долю составляют молодые особи. Популяции реагируют на изменения внешней среды путем колебания численности, соотношения полов, возрастной структуры.
Возрастная структура зависит также от особенностей конкретной популяции. Например, самки тихоокеанской сельди выметывают примерно 8 тыс. икринок в год, из которых созревает и вылупляется около 95%. Однако из общего числа вылупившихся мальков лишь 0,1% доживает до взрослого состояния. Вместе с тем возрастная структура популяций слонов или китов, которые рождают по одному детенышу (и то не каждый год), доля особей старших возрастных классов будет несравненно выше.
Различают следующие модели роста популяции:
- модель экспоненциального роста, когда при росте численности популяции смертность организмов по достижении ими половозрелого состояния незначительна. Модель характерна для популяций организмов, заселяющих вновь образовавшееся местообитание;
- мальтузианская модель, или модель взрывного роста популяции, имеет место в том случае, когда стремительный рост популяции прерывается голодом, эпидемиями и природными катастрофами. Кривая роста этого периода резко идет вниз;
логистическая модель характерна в том случае, когда размеры популяции постепенно стабилизируют численность на уровне поддерживающей емкости среды;
- модель, когда мальтузианская и логистическая модели накладываются друг на друга. При этом поддерживающая емкость среды или плотность популяции, которую может иметь данная среда (экосистема), удовлетворяет все свои потребности неопределенно долго.
Естественно здесь возникают вопросы, а какие факторы влияют на поддерживающую емкость среды для конкретного вида и каким образом организмы приспосабливаются к ней.
К этим факторам относятся:
- плотность популяции — плотная и рассеянная среда популяции живых организмов (сообществ). К факторам, оказывающим влияние на размеры популяции, можно отнести саморегуляцию. Фактором, индуцирующим саморегуляцию, может стать спрос, вызванный перенаселенностью. Чрезмерная плотность популяции, как правило, усиливает стресс, поскольку повышается частота агрессивных контактов между организмами;
- взаимодействие хищник—жертва, например численность зайца-беляка и рыси. Популяция зайцев достигает пика численности через каждые 9 лет; вслед за этим достигает пика популяция рыси. Как только численность рыси достигает максимума, популяция зайцев резко сокращается;
- пищевые ресурсы, а также конкуренция за обладание этими ресурсами;
- абиотические факторы, например, когдя чвы становятся все менее благоприятна пуляции.
Эволюция природной среды — это неоразвитие живой природы. Она определяете следственностью и естественным отбором вождается приспособлением их к условиям с разованием и вымиранием видов, преобразохнозов и биосферы в целом. Эволюция в шир представление об изменениях в обществе и прирленности, порядке, закономерностях. Она опред, ние какой-либо системы и рассматривается как рез, или менее длительных изменений ее предшествовавк яния.
Исходя из этого вид — это не статичная единица, сф рованная по какому-то определенному шаблону и навею, назначенная для одной и той же ниши. Напротив, палеонто ческая летопись свидетельствует о том, что виды изменяются, а, тируясь к меняющимся условиям окружающей среды. Если вид каким-либо причинам не может адаптироваться к новым условк ям, то, как показывают палеонтологические данные, он прекращает свое существование, или, попросту говоря, вымирает. Анализируя ископаемые остатки, ученые пришли к выводу, что вид в среднем живет менее 10 млн лет и что из всех видов, когда-либо существовавших на Земле, 99% вымерли.
Эволюция — одна из ведущих проблем современной биологии, и в этой области одна за другой появляются новые теории, новые точки зрения, пересматриваются старые идеи. Но очень мало вопросов, по которым взгляды ученых сходятся. В основе общепринятой теории эволюции разнообразных форм жизни на Земле лежат два основополагающих фактора:
- адаптация видов к использованию новых местообитаний, пригодных для заселения организмами, тогда как старые со временем либо исчезают, либо становятся менее благоприятными;
- конкуренция между особями одного вида над другим. Именно конкуренция между видами выявляет, какие виды должны выжить, а каким предстоит исчезнуть. Внутри- и межвидовая (которая побуждает виды занимать новые ниши) конкуренции представляют собой главный фактор, определяющий структуру современных сообществ и основную движущую силу эволюции.
Альтернативной теорией конкуренции, как считают многие экологи, являются хищничество и движущая сила эволюционного процесса и фактора, детерминирующие структуру современных сообществ. Результаты полевых исследований свидетельствуют о том, что некоторые хищники поддерживают численность популяции на ресурсном уровне.
В отличие от хищничества межвидовая конкуренция непреходяща и завершается лишь с гибелью более слабого конкурента или с его вытеснением из сообщества. Эта закономерность носит название принципа конкурентного исключения. Согласно этому принципу два вида не могут неопределенно долго жить в одном и том же местообитании и использовать одни и те же ресурсы, т, е. занимать одну и ту же экологическую нишу. Однако в последнее время некоторые ученые высказывают сомнение относительно того, действительно ли межвидовая конкуренция носит универсальный характер и так ли велико ее значение в природных сообществах.
Движущая сила эволюции, приведенная в действие конкурентными отношениями, может оказывать прямое или непрямое воздействие на организмы. Косвенный путь повышения конкурентоспособности заключается в использовании организмами тех ресурсов, которые ранее ими игнорировались. В таких случаях виды занимают разные части местообитания или используют разные ресурсы. Например, несколько видов птиц могут постоянно обитать и кормиться на одних и тех же деревьях, занимая по высоте разные ярусы. Летучие мыши и ласточки могли бы стать прямыми конкурентами, поскольку и те и другие питаются насекомыми. Но на самом деле этого не происходит, потому что ласточки охотятся на насекомых в светлое время суток, тогда как летучие мыши активны лишь в ночное время. Во всех рассмотренных случаях конкуренция оказывала эволюционное давление, которое приводило к изменению организмов, т. е. к повышению их разнообразия. Фактически оно приводит к образованию новых видов в разных местообитаниях или же к возникновению различных наборов экологических потребностей в том же местообитании.
По мнению других экологов, численность организмов вполне может поддерживаться воздействием природных факторов небиологического происхождения, например наводнениями, ураганами, морозами, засухой. Это так называемая альтернатива меняющейся среде. Дефицит ресурсов, в частности пищевых, сменяющийся изобилием ресурсов, несколько смазывают любые эволюционные эффекты. В основе теории эволюционного процесса лежит представление о равновесии в природных сообществах. Это значит, что количество ресурсов и численность видов в экосистеме находятся в сбалансированном состоянии от сезона к сезону и из года в год. Ученые пришли к выводу, что виды сохранялись неизменными на протяжении миллионов поколений даже в условиях непрерывно меняющейся среды, таких как похолодание климата или резкое сокращение количества осадков. Эти данные послужили основой для гипотезы, суть которой заключается в том, что виды эволюционируют не постепенно, а скачкообразно, путем резкой спонтанной смены форм. Новые виды возникают сразу и остаются неизменными на протяжении длительного периода времени. Такой тип эволюции получил название прерывистой эволюции. Теория прерывистой эволюции имеет интересные следствия для экологии и других наук об окружающей среде.
Поэтому до тех пор, пока наши знания об эволюционном процессе остаются неполными, а в природных сообществах много неясного, пока мы не знаем, что служит причиной вымирания видов или, напротив, что способствует их лучшей адаптации к условиям окружающей среды, необходимо соблюдать предельную осторожность в отношениях с природой.
Похожие статьи: Навигация: Статьи по теме:
Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум |
|
|
|
|
Информационный сайт о строительных материалах и технологиях. Контакты: Никита Королёв - © 2008-2014 |
© Все права защищены.
Копирование материалов невозможно. |
|