Екосистеми і їх роль в організації біосфери і ноосфери

Біосфері властива асиметрія: нерівномірність в розподілі океанів, материків, гір та низовин, кліматичних умов, існування живих організмів. Фізико-хімічні параметри систем неживої (абіотичної) природи досить індивідуальні в кожній точці земної поверхні. Тому існує величезне різноманіття видів органічного світ і кожне співтовариство організмів розвивається в певних фізико-хімічних умовах навколишнього середовища.

Екосистема  - складний природний комплекс живих істот, що взаємодіють з неорганічним середовищем та знаходяться в матеріально-енергетичній залежності від неї. По суті екосистема, це все те що ми називаємо природою. Екосистеми являють собою основні функціональні одиниці біосфери. Біосфера складається з безлічі екосистем, що взаємодіють між собою. Тому знання про екосистеми надзвичайно важливе для аналізу усього різноманіття екологічних явищ. Вперше термін “екосистема” був запропонований до вжитку у 1935 році англійським екологом А.Тенслі.

Екосистема складається з 4 елементів:

1) абіотичне середовище – комплекс неживої природи, звідки біоценоз черпає засоби для існування і куди виділяє продукти обміну (вода, мінеральні речовини, гази, неживі органічні речовини);

 2) продуценти (кондуктори, виробники) – організми, що виробляють первинну біомасу (наземні зелені рослини, водорості і бактерії, що здатні до фотосинтезу);

3) консументи – споживачі первинної або вторинної продукції, тобто готових органічних речовин, які трансформують їх в нові форми (організми, які вживають тільки їжу рослинного походження називають консументами першого порядку, організми які в основному споживають їжу тваринного походження, називають консументами другого порядку), консументами є тварини та безхлорофільні рослини;    

4)  редуценти (деструктори) – організми, які розкладають органічні рештки до мінерального стану (мікроорганізми: бактерії, гриби, найпростіші, а також організми, які живляться мертвими органічними речовинами).

Між цими елементами існує закономірний зв'язок, надзвичайно складний і відбувається через речовинно-енергетичний обмін. Для кожної екосистеми характерний свій біологічний кругообіг речовин, який здійснюється завдяки існуванню в екосистемах ланцюгів живлення.

Класифікація екосистем :

1. За масштабами:

- мікроекосистеми – невеликі біоценози, що називаються синузіями (трухляві пеньки, мертві стовбури дерев тощо);

- мезоекосистеми - біоценози які займають однотипні ділянки земної поверхні з однаковими фізико-географічними умовами, межі яких збігаються з межами відповідних фітоценозів (садова ділянка, ліс, озеро тощо);

-  макроекосистеми – охоплюють величезні території чи водні акваторії, що визначаються характерним для них макрокліматом і відповідають цілим природним зонам (тундра, тайга, степ, ліси, моря тощо).

2. За ступенем трансформації людською діяльністю:

- природні - екосистемиякі сформувалися еволюційним шляхом і мають здатність до саморегуляції, самовідтворення, самопідтримки, при умові відносної стабільності зовнішнього середовища;

- антропогенні - екосистеми, в яких переважають штучно створені антропогенні об’єкти, де крім людей, можуть існувати лише окремі види організмів, що пристосувалися до цих специфічних умов (міста, промислові вузли, кораблі тощо) промислові екосистеми (вугільні шахти, заводи тощо), міські екосистеми;

 - антропогенно-природні екосистеми  - складаються виключно з природних компонентів, але створені й регулюються людьми (сади, поля, парки тощо) агроценози (сади, тваринницькі ферми тощо), .

В епоху глобального антропогенезу велике значення має стійкість екосистем, тобто стійкість живих організмів до хімічних речовин (ксенобіотиків), які в природному середовищі відсутні.

Способи захисту живих організмів :

- розумова діяльність людини дозволяє розпізнати шкідливі речовини і уникнути їх;

- наявність у тварин та людей гормональної системи, яка розпізнає ксенобітоки, що потрапили до організму;

- на рівні клітин є мембранні механізми, які запобігають проникненню шкідливих речовин до клітини;

- наявність в організмі спеціальних ферментів, здатних руйнувати ксенобіотики;

- наявність системи виведення токсичних речовин з організму.

ОСНОВНІ ЕКОЛОГІЧНІ ЗАКОНИ

Закон біогенної міграції атомів (або закон Вернадсько-го): міграція хімічних елементів на земній поверхні та в .біосфері в цілому здійснюється під переважаючим впливом живої речовини, організмів. Так відбувалося й в геологіч-дому минулому, мільйони років тому, так відбувається й «в сучасних умовах. Жива речовина або бере участь у біо­хімічних процесах безпосередньо, або створює відповідне, збагачене киснем, вуглекислим газом, воднем, азотом, фос-'фором та іншими речовинами, середовище. Цей закон має важливе практичне й теоретичне значення. Розуміння всіх хімічних процесів, що відбуваються в геосферах, неможли­ве без урахування дії біогенних факторів, зокрема — ево­люційних. Нині люди впливають на стан біосфери, зміню­ючи її фізичний і хімічний склад, умови збалансованої віками біогенної міграції атомів. У майбутньому це спри­чинить дуже негативні зміни, які набувають здатності са-морозвиватися й стають глобальними, некерованими (опус-телювання, деградація грунтів, вимирання тисяч видів ор­ганізмів). За допомогою цього закону можна свідомо й активно запобігати розвитку таких негативних явищ, ке­рувати біогеохімічними процесами, використовуючи «м'які» екологічні методи.

Закон внутрішньої динамічної рівноваги: речовина, енер­гія, інформація та динамічні якості окремих природних си­стем і їх ієрархії дуже тісно пов'язані між собою, так що будь-яка зміна одного з показників неминуче призводить до функціонально-структурннх змін інших, але при цьому зберігаються загальні якості системи — речовинно-енерге­тичні, інформаційні та динамічні. Наслідки дії цього зако­ну виявляються в тому, що після будь-яких змін елементів природного середовища (речовинного складу, енергії, ін­формації, швидкості природних процесів тощо) обов'язково розвиваються ланцюгові реакції, які намагаються ней­тралізувати ці зміни. Слід зазначити, що незначна зміна одного показника може спричинити сильні відхилення в ін­ших і в усій екосистемі.

Зміни у великих екосистемах можуть мати необоротний характер, а будь-які локальні перетворення природи ви­кликають у біосфері планети (тобто в глобальному масшта­бі) та в її найбільших підрозділах реакції-відповіді, які зумовлюють відносну незмінність еколого-економічного по­тенціалу. Штучне зростання еколого-економічного потенці­алу обмежене термодинамічною стійкістю природних си­стем.

Закон внутрішньої динамічної рівноваги — один з най­головніших у природокористуванні. Він допомагає зрозу­міти, що у разі незначних втручань у природне середовище його екосистеми здатні саморегулюватися та відновлюва­тися, але коли ці втручання перевищують певні межі '(які людині слід добре знати) й вже не можуть «згаснути» в ланцюгу ієрархії екосистем (охоплюють цілі річкові сис­теми, ландшафти), вони призводять до значних порушень енерго- і біобалансу на значних територіях і в усій біо­сфері.

Закон генетичної різноманітності: все живе генетичне різне й має тенденцію до збільшення біологічної різнорід­ності. Закон має важливе значення в природокористуванні, особливо в сфері біотехнології (генна інженерія, біопрепа­рати), коли не завжди можна передбачити результат но­вовведень під час вирощування нових мікрокультур через виникаючі мутації або поширення дії нових біопремаратів не на ті види організмів, на які вони розраховувалися.

Закон історичної необоротності: розвиток біосфери й людства як цілого не може відбуватися від пізніших фаз до початкових, загальний процес розвитку однонапрямлений. Повторюються лише окремі елементи соціальних відносин (рабство) або типи хазяйнування.

Закон констаніності (сформульований В. Вернадсь-ким): кількість живої речовини біосфери (за певний гео­логічний час) є величина постійна. Цей закон тіспо пов'я­заний з законом внутрішньої динамічної рівноват. За за­коном константності будь-яка зміна кількості живої речовини в одному з регіонів біосфери неминуче призводить до такої ж за обсягом зміни речовини в іншому регіоні, ті­льки із зворотним знаком.

Наслідком цього закону є правило обов'язкового запов­нення екологічних ніш.

Закон кореляції (сформульований Ж. Кюв'є); в орга­нізмі як цілісній системі всі його частини відповідають од­на одній як за будовою, так і за функціями. Зміна однієї частини неминуче викликає зміни в інших.

Закон максимізації енергії (сформульований Г. і Ю. Оду-мами та доповнений М. Реймерсом): у конкуренції з інши­ми системами зберігається та з них, яка найбільше сприяє надходженню енергії та інформації й використовує макси­мальну їх кількість найефективніше. Для цього така сис­тема, здебільшого, утворює накопичувані (сховища) висо­коякісної енергії, частину якої витрачає на забезпечення надходження нової енергії, забезпечує нормальний круго­обіг речовин і створює механізми регулювання, підтримки, стійкості системи, її здатності пристосовуватися до змін, налагоджує обмін з іншими системами. Максимізація—це підвищення шансів на виживання.

Закон максимуму біогенної енергії (закон Вернадсько-го—Бауера): будь-яка біологічна та «біонедосконала» си­стема з біотою, що перебуває в стані «стійкої нерівноваги» (динамічно рухливої рівноваги з довкіллям), збільшує, розвиваючись, свій вплив на середовище.

У процесі еволюції видів, твердить Вернадський, вижи­вають ті, які збільшують біогенну геохімічну енергію. На думку Бауера, живі системи ніколи не перебувають у стані рівноваги й виконують за рахунок своєї вільної енергії ко­рисну роботу проти рівноваги, якої потребують закони фі­зики та хімії за існуючих зовнішніх умов.

Разом з іншими фундаментальними положеннями закон максимуму біогенної енергії е основою розробки стратегії природокористування.

Закон мінімуму (сформульований Ю. Лібіхом): стій­кість організму визначається найслабшою ланкою в лан­цюзі його екологічних потреб. Якщо кількість і якість еко­логічних факторів близькі до необхідного організму міні­муму, він виживає, якщо менші за цей мінімум, організм гине,екосистема руйнується.

Тому під час прогнозування екологічних умов або ви­конання експертиз дуже важливо визначити слабку ланку в житті організмів.

Закон обмеженості природних ресурсів: усі природні ре­сурси в умовах Землі вичерпні. Планета є природно обме­женим тілом, і на ній не можуть існувати безконечні скла­дові частини.

Закон однонаправленостіпотоку енергії: енергія, яку одержує екосистема й яка засвоюється продуцентами, роз­сіюється або разом з їх біомасою необоротно передається консументам першого, другого, третього та інших порядків, а потім редуцентам, що супроводжується втратою певної кількості енергії на кожному трофічному рівні в результаті процесів, які супроводжують дихання. Оскільки в зворотний потік (від редуцентів до продуцентів) потрапляє дуже мало початкової енергії (не більше 0,25%), термін «кругообіг енергії» є досить умовним.

Закон оптимальності: ніяка система не може звужува­тися або розширюватися до безконечності. Ніякий ціліс­ний організм не може перевищити певні критичні розміри, які забезпечують підтримку його енергетики. Ці розміри залежать від умов живлення та факторів існування.

У природокористуванні закон оптимальності допомагає знайти оптимальні з точки зору продуктивності розміри для ділянок полів, вирощуваних тварин, рослин. Ігнорування закону — створення величезних площ монокультур, вирів­нювання ландшафту масовими забудовами тощо — призве­ло до неприродного одноманіття на великих територіях і викликало порушення в функціонуванні екосистем, еколо­гічні кризи.

Закон піраміди енергій (сформульований Р. Ліндеманом): з одного трофічного рівня екологічної піраміди на інший переходить у середньому не більше 10 % енергії.

За цим законом можна виконувати розрахунки земель­них площ, лісових угідь з метою забезпечення населення продовольством й іншими ресурсами.

Закон рівнозначності умов життя: всі природні умови середовища, необхідні для життя, відіграють рівнозначні . ролі. З нього випливає інший закон — сукупної дії еколо­гічних факторів. Цей закон часто ігнорується, хоча має ве­лике значення.

Закон розвитку довкілля: будь-яка природна система розвивається лише за рахунок використання матеріально-енергетичних й інформаційних можливостей навколишньо­го середовища. Абсолютно ізольований саморозвиток не­можливий—це висновок з законів термодинаміки.

Дуже важливими е наслідки закону.

1. Абсолютно безвідхідне виробництво неможливе.

2. Будь-яка більш високоорганізована біотична систе­ма в своєму розвитку є потенційною загрозою для менш організованих систем. Тому в біосфері Землі неможливе повторне зародження життя — воно буде знищене вже іс­нуючими організмами.

3. Біосфера Землі як система розвивається за рахунок внутрішніх і космічних ресурсів.

Закон зменшення енерговіддачі в природокористуванні:у процесі одержання з природних систем корисної продук­ції з часом (у історичному аспекті) на її виготовлення в середньому витрачається дедалі більше енергії (зростають енергетичні витрати на одну людину). Так, нині витрати енергії иа одну людину за добу майже в 60 разів більші, ніж у часи наших далеких предків (кілька тисяч років то­му). Збільшення енергетичних витрат не може відбуватися безконечно. Його можна й слід розраховувати, плануючи свої стосунки з природою з метою їх гармонізації.

Закон сукупної дії природних факторів(закон Мітчер-ліха—Тінемана—Баулє): обсяг урожаю залежить не від окремого, нехай навіть лімітуючого фактора, а від усієї сукупності екологічних факторів одночасно. Частку кож­ного фактора в сукупній дії нині можна підрахувати. Закон має силу за певних умов—коли вплив монотонний і мак­симально виявляється кожний фактор за незмінності інших у тій сукупності, що розглядається.

Закон толерантності (закон Шелфорда): лімітуючим фактором процвітання організму може бути як мінімум, так і максимум екологічного впливу, діапазон між якими визначає ступінь витривалості (толерантності) організму до данного фактора. Відповідно до закону будь-який над­лишок речовини чи енергії в екосистемі стає її ворогом, забруднювачем.

Закон грунтостомлення (зменшення родючості): посту­пове зниження природної родючості грунтів відбувається через тривале їх використання й порушення природних процесів ґрунтоутворення, а також внаслідок тривалого ви­рощування монокультур (в результаті накопичення токсич­них речовин, що виділяються рослинами, залишків пести­цидів й мінеральних добрив).

Закон фізико-хімічної єдності живої речовини (сфор­мульований В. Вернадським): уся жива речовина Землі має єдину фізико-хімічну природу. З цього випливає, що шкідливе для однієї частини живої речовини шкодить й іншій її частині, тільки, звичайно, різною мірою. Різниця полягає лише в стійкості видів до дії того чи іншого аген­та. Крім того, через наявність у будь-якій популяції більш чи менш стійких до фізико-хімічного впливу видів швид­кість відбору за витривалістю популяцій до шкідливого агента прямо пропорційна швидкості розмноження орга­нізмів і чергування поколінь Через це тривале вживання пестицидів екологічно неприпустиме, бо ;шкідники, які роз­множуються значно швидше, швидке Пристосовуються й виживають, а обсяги хімічних забруднень доводиться де­далі збільшувати.

Закон екологічної кореляції: в екосистемі,як ів будь-якій іншій, всі види живої речовини й абіотичні екологічні компоненти функціонально відповідають одне одному. Ви­падіння однієї частини системи (виду) неминуче призводить до вимикання пов'язаних з нею інших частин екосистеми й функціональних змін.

Науковій громадськості широко відомі також чотири закони екології американського вченого Б. Коммонера:

1) все пов'язане з усім;

2) все мусить кудись діватися;

3) природа «знає» краще;

4) ніщо не минається даремно (за все треба платити).

Як зазначає М. Реймерс, перший закон Б. Коммонера близький за

змістом до закону внутрішньої динамічної рів­новаги, другий — до цього ж закону та закону розвитку при­родної системи за рахунок довкілля, третій — застерігає нас від самовпевненості, четвертий — знову торкається про­блем, які узагальнюють закон внутрішньої динамічної рів­новаги, закони константності й розвитку природної систе­ми. За четвертим законом Б. Коммонера ми повинні по­вертати природі те, що беремо в неї, інакше катастрофа з часом неминуча.

Слід згадати також важливі екологічні закони, сфор­мульовані у працях відомого американського еколога Д Чіраса у 1991—1993 рр Він підкреслює, що Природа існує вічно (з точки зору людини) і опирається деградації завдяки дії чотирьох екологічних законів: 1) рециклічності або повторного багаторазового використання найважливі­ших речовин; 2) постійного відновлення ресурсів; 3) кон­сервативного споживання (коли живі істоти споживають лише те (й у такій кількості), що їм необхідно, не більше й не менше); 4) популяційного контролю (природа не до­пускає «вибухового» росту популяцій, регулюючи кількіс­ний склад того чи іншого виду шляхом створення відповід­них умов для його існування й розмноження). Найваж­ливішим завданням екології Д. Чірас вважає вивчення структури та функцій екосистем, їх врівноваженості, або не­врівноваженості, тобто причин стабільності й розбалансу-вання екосистем.

Таким чином, коло завдань сучасної екології дуже шиІроке й охоплює практично всі питання, що торкаються взаємовідносин людського суспільства та природного се­редовища, а також проблеми гармонізації цих відносин. З суто біологічної науки, якою була екологія всього яки­хось ЗО—40 років тому, сьогодні вона стала багатогранною комплексною наукою, головною метою якої є розробка на­укових основ порятунку людства й середовища його існування – біосфери планети, раціонального природокористування та охорони природи. Нині екологічним вихованням охоплюються всі верстви населення на планеті. Пізнання законів гармонізації, краси й раціональності природи допоможе людству знайти рівні шляхи виходу з екологічної кризи. Змінюючи й надалі природні умови (суспільство не може жити інакше), люди будуть змушені робити не обдумано, виважено, передбачаючи далеку перспективу й спираючись на знання основних екологічних законів.