Факторы, определ. Устойчивость биосферы

Принципы функционирования экосистем

Правило экологической пирамиды.

Трофическую структуру экосистемы можно изобразить графически в виде экологической пирамиды, в основании которой лежит первый уровень. Эти пирамиды отражают законы расходования биомассы и энергии в пищевых цепях.Численное значение каждой ступени такой пирамиды может быть выражено числом особей, их биомассой или накопленной в ней энергией.

Пищевые сети, возникающие в экосистеме, имеют структуру, для которой характерно определенное число организмов на каждом трофическом уровне. Замечено, что число организмов прямо пропорционально уменьшается при переходе с одного трофического уровня на другой. Такая закономерность получила название «правило экологической пирамиды». В данном случае рассмотрена пирамида чисел. Она может нарушаться, если мелкие хищники живут благодаря групповой охоте на крупных животных.

Для каждого трофического уровня характерна своя биомасса - суммарная масса организмов какой-либо группы. В пищевых цепях биомасса организмов на разных трофических уровнях различна: биомасса продуцентов (первый трофический уровень) значительно выше, чем биомасса консументов - растительноядных животных (второй трофический уровень). Биомасса каждого из последующих трофических уровней пищевой цепи также прогрессивно уменьшается. Эта закономерность получила название пирамиды биомасс.

Аналогичную закономерность можно выявить при рассмотрении передачи энергии по трофическим уровням, то есть в пирамиде энергии (продукции). Количество энергии, расходуемой на поддержание собственной жизнедеятельности, в цепи трофических уровней растет, а продуктивность падает. Растения усваивают в процессе фотосинтеза лишь незначительную часть солнечной энергии. Растительноядные животные, составляющие второй трофический уровень, усваивают лишь некоторую часть (20-60 %) от поглощенного корма. Усвоенная пища идет на поддержание процессов жизнедеятельности организмов животных и рост (например, на построение тканей, запасы в виде отложения жиров).

Организмы третьего трофического уровня (хищные животные) при поедании растительноядных животных вновь теряют большую часть заключенной в пище энергии. Количество энергии на последующих трофических уровнях вновь прогрессивно уменьшается. Результатом этих потерь энергии является небольшое число (три-пять) трофических уровней в пищевой цепи.

Потерянная в цепях питания энергия может быть восполнена только поступлением новых ее порций. Поэтому в экосистеме не может быть круговорота энергии, аналогично круговороту веществ. Экосистемы являются открытыми системами, нуждающимися в притоке солнечной энергии или готовых запасов органического вещества,т.о. передача энергии в экосистемах происходит согласно известным законам термодинамики:

1. Энергия может переходить из одной формы в другую, но никогда не создаётся вновь и не исчезает.

2. Не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потери некоторой её части в виде тепла, т.е. нет преобразований энергии со 100% эффективностью.

Подсчитано, что с одного трофического уровня на другой передается лишь около 10% энергии. Эта закономерность получила название "правило десяти процентов".

Таким образом, большая часть энергии в цепи питания при переходе с одного уровня на другой теряется. К следующему звену в цепи питания поступает только та энергия, которая заключена в массе предыдущего поедаемого звена. Потери энергии составляют около 90% при каждом переходе через трофическую цепь. Например, если энергия растительного организма составляет 1000 Дж, то при полном поедании его травоядным животным в теле последнего ассимилируется всего 100 Дж, в теле хищника 10 Дж, а если этот хищник будет съеден другим, то в его теле ассимилируется только 1 Дж энергии, то есть 0,1%.

В результате энергия, накопленная зелеными растениями в цепях питания, стремительно иссякает. Поэтому пищевая цепь не может включать более 4 – 5 звеньев. Потерянная в цепях питания энергия может быть восполнена только за счет поступления новых ее порций. В экосистемах не может быть круговорота энергии, подобно круговороту веществ. Жизнь и функционирование любой экологической системы возможны только при односторонне направленном потоке энергии в виде солнечного излучения или при притоке запасов готового органического вещества.

Таким образом, пирамида чисел отражает число особей в каждом звене пищевой цепи. Пирамида биомасс отражает количество образованного на каждом звене органического вещества – его биомассу. Пирамида энергии показывает количество энергии на каждом трофическом уровне.

Снижение количества доступной энергии на каждом последующем трофическом уровне сопровождается снижением биомассы и численности особей. Пирамиды биомассы и численности организмов для данного биоценоза повторяют в общих чертах конфигурацию пирамиды продуктивности.

Графически экологическую пирамиду изображают в виде нескольких прямоугольников одинаковой высоты, но разной длины. Длина прямоугольника уменьшается от нижнего к верхнему соответственно уменьшению продуктивности на последующих трофических уровнях. Нижний треугольник самый большой по длине и соответствует первому трофическому уровню - продуцентам, второй - приблизительно в 10 раз меньше и соответствует второму трофическому уровню – растительноядным животным, потребителям первого порядка и т.д.

Все три правила пирамиды – продуктивности, биомассы и численности выражают энергетические отношения в экосистемах. При этом пирамида продуктивности имеет универсальный характер, а пирамиды биомассы и численности проявляются в сообществах с определенной трофической структурой.

Знание законов продуктивности экосистем, возможность количественного учета потока энергии имеют важное практическое значение. Первичная продукция агроценозов и эксплуатация человеком природных сообществ – основной источник пищи для человека. Важное значение имеет и вторичная продукция биоценозов, получаемая за счет промышленных и сельскохозяйственных животных, как источник животного белка. Знание законов распределения энергии, потоков энергии и вещества в биоценозах, закономерностей продуктивности растений и животных, понимание пределов допустимого изъятия растительной и животной биомассы из природных систем позволяют правильно строить отношения в системе «общество — природа».

Факторы, определ. Устойчивость биосферы

Устойчивость экосистем и биосферы в целом зависит от многих факторов, суть наиболее важных из них состоит в следующем:

1. Биосфера использует внешние источники энергии – солнечную энергию и энергию разогрева земных недр для упорядочения ее организации, не вызывая загрязнения ОС. Постоянное использование определенного количества энергии и ее рассеивание в виде тепла создало эволюционно сложившийся тепловой баланс в биосфере. Сквозной поток энергии, проходя через трофические уровни экосистемы, постоянно гасится (правило 10% Линдемана).

Если автотрофные растения, с которых начинается трансформация солнечной энергии в живое вещество, преобразуют ее из рассеянного состояния в концентрированное, синтезируя органическое вещество, то человек, напротив, забирая органическое вещество, в том числе и из запасников природы, сжигает его, переводя сосредоточенную в нем энергию из концентрированного состояния в рассеянное. Причем при ведении работ по добыче энергетических ресурсов человек разрушает биологические характеристики почв, происходит гибель или деградация растительного покрова, загрязняются водные объекты и атмосфера, формируются отвалы пород, что приводит к подъему уровня грунтовых вод и появлению в окружающей местности контурного кольца из озер, болот и т.д.

2. Биосфера использует вещества (преимущественно легкие биогенные элементы) в основном в форме круговоротов. Биогеохимические циклы элементов отработаны эволюционно и не приводят к накоплению вредных отходов.

Вмешивание человека в отдельные круговороты изложено в предыдущем разделе. Общий же вывод следующий. Человек использует вещество крайне неэффективно, при этом образуется огромное количество отходов, многие из них переводятся из пассивной формы, в которой они находились в природной среде, в активную, токсичную форму. Сравнительный анализ круговоротов веществ в природе и в хозяйственной деятельности подтверждает исключительно экономное использование вещества в природе: 98–99% вещества находится в круговороте и лишь 1–2% выходит из круговорота, при этом создавая геологический запас. Человек же копирует природные круговороты с точностью до наоборот: лишь 1–2% первичного сырья используется в круговоротах, 98–99% уходит в отходы.

3. В биосфере существует огромное многообразие видов и биологических сообществ. Конкурентные и хищнические отношения между видами способствуют установлению между ними равновесия. При этом практически отсутствуют доминирующие виды с чрезмерной численностью, что обеспечивает защиту биосферы от сильной опасности со стороны внутренних факторов. Видовое разнообразие – это фактор повышения устойчивости экосистем к воздействию внешних факторов. Генофонд дикой природы – бесценный дар, возможности которого пока использованы в ничтожно малой степени.

Исчезновение любого из видов – это не только безвозвратная потеря природного генофонда, но и снижение устойчивости отдельных экосистем и биосферы в целом, как огромной и чрезвычайно сложной экосистемы. Путь человечества, к сожалению, отмечен гибелью многих представителей флоры и фауны.

4. Практически все закономерности, характерные для живого вещества, имеют адаптивное значение. Биосистемы вынуждены приспосабливаться к непрерывно изменяющимся условиям жизни. Эти значения имеют разную шкалу времени – от эволюционной до сиюминутной. В вечно меняющейся среде жизни каждый вид организма адаптирован по-своему. Это выражается правилом экологической индивидуальности: двух идентичной видов не существует. Экологическая специфичность видов подчеркивается так называемой аксиомой адаптированности: каждый вид адаптирован к строго определенной специфичной для него совокупности условий. Расширяя хозяйственную деятельность, человек в короткие сроки меняет параметры экологических факторов, и многие виды не успевают приспособиться к таким быстрым изменениям.

5. Саморегуляция, или поддержание численности популяции, зависит от совокупности экологических факторов. Каждая популяция, взаимодействуя с природой как целостная система, словно бы предчувствует возможные последствия происходящего и вырабатывает формы поведения, способные если не предотвратить надвигающийся кризис, то, во всяком случае, смягчить его последствия популяции в целом. Правило популяционного максимума: численность естественных популяций ограничена истощением пищевых ресурсов и условий размножения, недостаточностью этих ресурсов и слишком коротким периодом ускорения роста популяции. В этом смысле очень характерно поведение леммингов – группы мелких млекопитающих, живущих в лесах и тундрах Евразии и Северной Америки. В некоторые годы они сильно размножаются в огромных количествах и предпринимают далекие миграции. В ходе этих миграций массовое самоубийство леммингов предотвращает возможность перенаселения и обеспечивает сохранение популяции в своей экологической нише. «Феномен леммингов» – плохо понимаемая нами реакция популяции на угрозу ее возможной гибели. Естественно, это крайняя форма стабилизации численности популяции. Однако любая популяция обладает строго определенной генетической, фенотической, половозрастной и др. структурой. Она не может состоять из меньшего числа индивидов, чем это необходимо для обеспечения ее устойчивости к факторам внешней среды. Выход за пределы минимума чреват для популяции гибелью: она уже не будет в состоянии самовосстановиться.