Экосистемы. Биосфера

 

Любая живая система есть частный вид наиболее сложных систем, построенных на основе белковых соединений. Поэтому системный подход в экологии очень популярен.

В экологии существуют два подхода к пониманию сути явлений:

- популяционный подход - концентрирует внимание на популяциях живых существ, то есть на группах особей одного вида, большое число поколений которого населяет определенное пространство в ограниченных пределах (считается, что именно популяция является основной элементарной единицей, изучаемой традиционной экологией);

- экосистемный подход - базируется на понятии экосистемы - совокупности организмов и неживых компонентов, взаимодействующих совместно и связанных потоками вещества и энергии.

Понятие экосистема введено английским ботаником А. Тенсли в 1935 г.

Географ и писатель Г.К. Ефремов дал образное определение экосистемы как “любого природного образования – от кочки до оболочки (географической)”.

Экосистемный подход тяготеет к целостному описанию природы, популяционный - к множественному.

Все экосистемы можно разделить по рангам:

1) микроэкосистемы (лужа, гниющий пень, разлагающийся труп и т.п.);

2) мезоэкосистемы (лес, озеро, река, небольшой остров и т.п.);

3) макроэкосистемы (море, океан, континент, большой остров и т.п.);

4) глобальная экосистема (биосфера).

Кроме приведенной классификации экосистем в экологии традиционно рассматривается еще понятие биогеоценоза, которое близко по смыслу к понятию экосистемы. Биогеоценоз - это частный случай крупной экосистемы, охватывающей как правило значительную территорию, предполагающий обязательное наличие в качестве основного звена растительности, то есть фитоценоза, обеспечивающего данную экосистему поступлением первичной энергии (информации). Ввиду подобной энергетической автономности биогеоценоз теоретически бессмертен, в отличие, например, от гниющего поваленного дерева, экосистема которого гибнет после того, как будет израсходована вся энергия, накопленная деревом за время жизни, а само дерево превратится в компоненты гумуса (плодородного слоя почвы).

В составе любой экосистемы обычно выделяют два блока: биоценоз и экотоп. Биоценоз состоит из взаимосвязанных организмов разных видов, которые входят в него не отдельными особями, а популяциями. Частный случай биоценоза - сообщество, оно может объединять только часть видов биоценоза (например, растительное сообщество). Под экотопом понимают среду обитания данного биоценоза. Это может быть территория данного биогеоценоза, характеризующаяся определенным составом слагающих ее геологических пород. Поваленное дерево, дающее жизнь разного рода деструкторам (насекомым, грибам, микробам и прочим организмам, разрушающим органику вплоть до минерального состояния) также является экотопом существующей на его базе экосистемы.

Таким образом, биогеоценоз = экотоп (гидрологические факторы (гидротоп), климатологические факторы ((климатоп), почвенные факторы (эдафотоп) ) + биоценоз (растения (фитоценоз), животные (зооценоз), микроорганизмы (микробиоценоз)) (данная модель предложена В.Н. Сукачевым в 1942 г.).

 

 

1.4.1. Особенности экосистем

1. Тесная взаимосвязь и взаимозависимость всех звеньев как биотических (живых), так и абиотических (неживых). Корректировки связей приводят к возвращению в исходное состояние или к гибели.

2. Сильные положительные и отрицательные обратные связи.

Пример положительной обратной связи - заболачивание территории после вырубки леса. Это ведет к уплотнению почвы, следовательно, к накоплению воды и росту растений-влагонакопителей, что приводит к обеднению ее кислородом, а значит, к замедлению разложения растительных остатков, накоплению торфа и дальнейшему усилению заболачивания.

Пример отрицательной (стабилизирующей) обратной связи - взаимоотношение между хищником и жертвой, например между рысями и зайцами: рост количества зайцев способствует росту численности рысей, но чрезмерное количество рысей сокращает поголовье зайцев, после чего численность рыси также сокращается. В естественных условиях данная система достаточно быстро стабилизируется.

3. Явно выраженная эмерджентность.

Например, редкий древостой еще не составляет леса, так как не создает определенной среды: почвенной, гидрологической, метеорологической и т.д.

Эмерджентность повышает устойчивость экосистемы и ее способность к саморегулированию. Деятельность человека приводит к нарушению прямых и обратных связей в экосистемах.

Например, умеренное загрязнение водоемов органикой приводит к интенсификации размножения микроорганизмов, что приводит к самоочищению водоема. Неумеренное загрязнение, называемое эвтрофикацией, ведет к чрезмерному размножению организмов, активно разлагающих органическое вещество, что рано или поздно приводит к обеднению данного водоема кислородом, а значит, к угнетению и гибели этих организмов, разрушению связей, изменению системы и переходу ее на новый вид связей, обычно это заболачивание.

Обычно экосистемы для повышения устойчивости нуждаются в случайных стрессовых воздействиях типа бурь, пожаров и т.п. Но хронические стрессы малой интенсивности, характерные для антропогенного воздействия на природу, не дают явных реакций, поэтому их последствия оценить очень трудно, но они могут оказаться гибельными для экосистемы.

 

ª Вопросы для самопроверки

1. В чем отличие популяционного от экосистемного подхода в экологии?

2. Как подразделяются экосистемы ? Приведите пример экосистемы каждого типа.

3. Дайте определение биогеоценоза.

4. Чем биогеоценоз отличается от экосистемы ?

5. Что такое биоценоз, экотоп ? Перечислите составляющие их элементы .

6. Приведите пример искусственной экосистемы

 

1.4.2. Уровни биологической организации

Обычно выделяют 6 главных уровней организации живой материи, образующих формальную иерархию: молекулярный ® клеточный ® организменный ® популяционный ® экосистемный ® биосферный, четких границ между этими уровнями нет, как нет четких границ между экосистемами разного ранга (эффект “матрешки” – одна экосистема является частью другой, большего размера), выделение различных экосистем достаточно произвольно.

 

 

 

 

Рис. 1.11. Уровни биологической организации, изучаемые экологией:

- организм; - популяция; - экосистема

 

Основные свойства живых систем в полной мере реализуются на двух последних – экосистемных уровнях, т.к. ни одна клетка, ни один организм или вид не могут существовать без множества других клеток, организмов, видов и создаваемых ими условий среды. Предмет экологии начинается с организменного уровня.

На уровне организма осуществляется обмен веществом, энергией и информацией с ОС; на уровне популяции к этому добавляются воспроизведение вида, его эволюция и участие в многовидовых сообществах; на уровне экосистемы поддерживается устойчивый круговорот веществ и формирование общей среды сообщества организмов; на уровне биосферы – глобальный круговорот, кооперативное взаимодействие и жизнеобеспечение всех экосистем, создание планетарной среды жизни.

 

 

1.4.3. Теория биосферы

 

Самой крупной, глобальной экосистемой планеты является биосфера. Понятие биосфера было введено в 1875 году австрийским ученым-геологом Э. Зюссом. Зюсс понимал под биосферой совокупность всех живых организмов на Земле, все пространство атмосферы, гидросферы и литосферы, где встречаются живые организмы.

Но наибольшее развитие это понятие получило в трудах нашего соотечественника академика В.И. Вернадского “Биосфера” (1926) и “Химическое строение биосферы Земли и ее окружение”. Вернадский, по сути дела, создал новую науку - теорию биосферы. Под биосферой он понимал сферу единства живого и неживого, все пространство литосферы, гидросферы и атмосферы, где существует или когда-либо существовала жизнь, то есть где встречаются организмы или продукты их жизнедеятельности и которое обладает свойствами усложнения структуры и концентрации энергии.

Такое толкование определило взгляд Вернадского на проблему происхождения жизни. Существует несколько гипотез зарождения жизни на планете: 1) жизнь возникла до образования Земли и была занесена не нее, 2) жизнь зародилась после образования Земли, 3) жизнь возникла вместе с формированием Земли. Вернадский придерживался последней и считал, что нет убедительных научных данных, что живое когда-либо не существовало на нашей планете. Жизнь оставалась в течение геологического времени постоянной, менялась только ее форма. Иными словами, биосфера на Земле была всегда. Биосфера – тонкая оболочка Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. Биосфера располагается на стыке литосферы, гидросферы и атмосферы (рис. 1.12). В атмосфере верхние границы жизни определяются озоновым экраном – тонким в несколько миллиметров слоем озона на высоте примерно 20 км. Океан населен жизнью целиком до дна самых глубоких впадин в 10-11 км. В твердую часть Земли жизнь проникает до 3 км (бактерии в нефтяных месторождениях).

Вернадский, изучив распределение химических элементов по поверхности планеты, пришел к выводу, что нет практически ни одного элемента из таблицы Менделеева, который не включался бы в живое вещество. Само живое вещество не является случайным созданием. Узкие пределы существования жизни – физические постоянные, уровни радиации и т.п. – подтверждают это.

Как будто кто-то создал такую среду, чтобы жизнь была возможна. Какие условия и постоянные имеются в виду ?

 

 

Рис. 1.12. Границы биосферы

 

Гравитационная постоянная, или константа всемирного тяготения, определяет размеры звезд, температуру и давление в них, влияющие на ход реакции.

Если она будет чуть меньше, звезды станут недостаточно горячими для протекания в них термоядерного синтеза; если чуть больше, звезды превысят “критическую массу” и обратятся в черные дыры. Константа сильного взаимодействия определяет ядерный заряд в звездах. Если ее изменить, цепочки ядерных реакций не дойдут до азота с углеродом. Постоянная электромагнитного взаимодействия определяет конфигурацию электронных оболочек и прочность химических связей, ее изменение делает Вселенную мертвой.

Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов. Верхний предел жизни обусловлен лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь и от которой предохраняет озоновый щит.

Нижний предел связан с достижением высокой температуры. Интервал в 433 °С (от -252°С до +180°С) является, по Вернадскому, предельным тепловым полем.

1.4.4. Теории происхождения жизни

Существует 3 основные теории происхождения жизни: креационизм (все живые организмы созданы Богом, высшей силой), панспермия (жизнь занесена на Землю из космоса, например, белковые соединения обнаружены в метеоритах), эволюция (жизнь возникла на планете в процессе эволюции – под действием естественных законов усложнения форм организации материи).

Аргументы в пользу земного происхождения жизни:

1. Только земная биоорганика обладает оптической асимметрией (левые аминокислоты, правые сахара). Так, если раствор сахара, полученного из свеклы (“живой сахар”) осветить лучом поляризованного света, то плоскость поляризации луча на выходе оказывается смещенной вправо на некоторый угол. Если же сахар синтезирован искусственным путем, то такой раствор не поворачивает плоскость поляризации света. Вся биоорганика Земли поворачивает плоскость поляризации света. Вся “космическая” и искусственная органика оптически нейтральна. Следовательно, жизнь сформировалась в условиях оптически чистой среды, поэтому организм человека очень чувствителен к неправильно ориентированным изомерам и не имеет защиты от изменений среды. Это свойство используется в медицине. Правый изомер аминокислоты помогает бороться со СПИДом, но вызывает генетические изменения.

2. Вся биоорганика Земли имеет единый генетический код. Информация о строении белков организма хранится в закодированном виде в структуре молекул ДНК. Правила кодировки известны, но они не поддаются какой-либо логике. Видимо, природа установила эти правила произвольным образом, но однажды принятый “стандарт” един для всех биосистем Земли и никогда не нарушается.

1.4.5. Основные положения теории биосферы В.И. Вернадского

 

1. Жизнь есть неизбежное следствие мирового эволюционного процесса, любые теории случайного зарождения жизни не выдерживают критики;

2. Возникновение Земли как космического тела и появление на ней жизни произошло практически одновременно, следы жизни обнаруживаются в самых глубоких геологических слоях;

3. Наша планета и космос есть единая система, в которой жизнь связывает все процессы в единое целое;

4. Количество живого вещества на Земле является постоянной величиной, то есть во все времена с начала существования Земли в круговорот жизни было вовлечено то же количество вещества, которое мы и сейчас наблюдаем в данном круговороте (включая вещество в захоронениях, типа каменноугольных, нефтяных месторождений и т.п.);

5. Жизнь является главной геологической силой на планете (не вулканизм и не физико-химические процессы выветривания определяют эволюцию верхних слоев литосферы, первостепенную преобразующую роль играют именно живые организмы и обусловливаемые ими механизмы разрушения горных пород, круговороты веществ, изменения водной и атмосферной оболочек Земли; весь лик Земли, ее ландшафты, химизм океана, структура атмосферы - это порождение жизни);

6. Человек есть неизбежное следствие эволюции планеты, на него возложена определенная роль в жизни планеты;

7. В настоящее время именно человек превращается в главную геологическую силу на планете (человек меняет состав атмосферы и гидросферы, ландшафты Земли, высвобождает из захоронений огромное количество веществ, возвращая их в круговороты жизни, обедняет разнообразие форм жизни на планете и одновременно порождает или способствует порождению новых форм жизни);

8. Однажды развитие биосферы и общества сделается неразрывным и биосфера перейдет в новое состояние - ноосферу (сфера разума).

Понятие “ноосфера” введено Ле Руа в 1927 г., а концепцию ноосферы создал Пьер Тейяр де Шарден в своей книге “Феномен человека”, и далее она получила свою интерпретацию в трудах Вернадского на основе учения о биосфере. Согласно определению Вернадского под ноосферой подразумевают такое состояние взаимоотношений человека и природы, в котором развитие планеты будет подчинено управляющей силе разума человека в интересах человека. В настоящее время в это понятие вкладывают несколько иной смысл, говоря не о развитии планеты в интересах человека, а о коэволюции человека и природы, при которой человек соизмеряет темпы и направления своего развития с возможностями планеты, поскольку только такой путь развития гарантирует устойчивое существование планеты.

 

1.4.6. Основные свойства биосферы

 

Биосфера – это централизованная, открытая, саморегулирующаяся система, характеризующаяся большим разнообразием составляющих ее элементов, обладающая механизмами, обеспечивающими круговорот веществ.

Центральное звено биосферы - все живые организмы (живое вещество), в том числе и человек, существование биосферы немыслимо без поступления энергии извне, прежде всего от Солнца.

Свойство саморегуляции (гомеостаза) биосферы - способность гасить возникающие возмущения и приходить в исходное состояние включением ряда механизмов. Гомеостатические механизмы связаны в основном с живым веществом, его свойствами и функциями. В настоящее время, хотя биосфера, по-видимому, еще не вступила в стадию глобального кризиса, но отдельные крупные возмущения антропогенного происхождения она гасить уже не в силах, потому что человек разрушает сами механизмы гомеостаза. Результатом человеческой деятельности является либо гибель экосистем (заболоченность, опустынивание и т.п.), либо появление неустойчивых систем типа агроценозов или городов. Большое разнообразие элементов повышает ее устойчивость, так как дает возможность дублирования отдельных функций. В настоящее время описано около 2 млн видов живых организмов (1,5 млн животных и 500 тыс. видов растений). Полагают, что их на Земле в 2-3 раза больше. К настоящему времени арену биосферы оставили более 95 % существовавших когда-то видов. Вся деятельность человека без исключения подчинена упрощению экосистем любого ранга, то есть уменьшению разнообразия видов, что также наносит удар по механизмам гомеостаза. Простые экосистемы с малым разнообразием удобны для эксплуатации. Они позволяют в короткое время получить большой объем продукции. Плата за это снижение устойчивости экосистем, их распад и деградация среды.

Механизмы, обеспечивающие круговорот веществ, гарантируют неисчерпаемость отдельных химических соединений в биосфере. При отсутствии круговорота, например, за короткое время был бы исчерпан весь углерод. Только благодаря круговоротам обеспечивается непрерывность процессов. Как говорил академик-почвовед В.Р.Вильямс, есть единственный способ сделать какой-либо процесс бесконечным - пустить его по пути круговоротов.

 

1.4.7. Гипотеза о возникновении Геи-Земли

 

Гипотеза Геи-Земли (от греч. “Гея” – богиня Земли) возникла в последние два десятилетия и перекликается с основными положениями теории биосферы Вернадского.

Авторы гипотезы – английский химик Джеймс Лавлок и американский микробиолог Линн Маргулис. Согласно этой гипотезе, Земля является саморегулирующейся системой, созданной биотой и окружающей средой, способной сохранять химический состав атмосферы и тем самым поддерживать благоприятное для жизни постоянство климата. Это квазиживая целостность (Дж. Лавлок), которая обладает свойством глобального гомеостаза, способного нейтрализовать неблагоприятные внешние воздействия в пределах способности к саморегуляции.

Пример: С появления жизни на планете действовал механизм биологической автоматической термостатики, в котором избыток двуокиси азота в атмосфере играл регулирующую роль, препятствуя тенденции потепления, связанной с возрастанием яркости солнечного света – это механизм обратной связи. Изменение яркости потоков солнечного света вызвало рост биоразнообразия, это привело к возрастанию способности регулировать температуру поверхности Земли и к росту биомассы.

ª Вопросы для самопроверки

 

1. Дайте определение биосферы. Кто создал теорию биосферы ?

2. Перечислите основные свойства биосферы.

3. Какие особенности экосистем вы можете назвать ?

4. Опишите кратко основные положения теории биосферы Вернадского.

5. Дайте определение ноосферы.

6. Почему “фабрику” биосферы называют безотходным производством ?