Свойства экологических систем

ЛЕКЦИЯ 6

Свойства экологических систем.

 Наиболее важные свойства экосистем являются следствием иерархической организации уровней жизни. По мере объединения подмножеств в более крупные у образующихся систем возникают качественно новые эмерджентные свойства, отсутствующие на предыдущем уровне. Таким образом, экосистема обладает не только суммой свойств, входящих в нее подсистем, но характеризуется  собственными, присущими только ей свойствами.

Взаимодействие автотрофных и гетеротрофных процессов является наиболее важной функцией любых экосистем. В течение значительного геологического периода (кембрия -600 млн - 1 млрд лет назад), небольшая, но заметная частъ синтезируемого органического вещества не расходовалась, а сохранялась и накапливалась в осадках. Преобладание скорости синтеза над скоростью разложения органических веществ явилось причиной уменьшения содержания углекислого газа и накопления кислорода в атмосфере. Это подтверждает тот факт, что состав атмосферы Земли резко отличается от условий на других планетах Солнечной системы.  В 1979 г. Лавлок предположил, что  состав атмосферы Земли в отсутствии биосферы соответствовал составу атмосферы Марса или Венеры. Это видно из таблицы.

Таблица

Сравнение состава атмосферы и. температурных условий на Земле и других планетах (по Ю Одуму, 1986)

Зеленые организмы сыграли основную роль в формировании геохимической среды Земли, благоприятной для существования других организмов. Значительное накопившееся количество кислорода сделало возможными появление и эволюцию высших форм жизни. Примерно 300 млн лет назад отмечался особенно большой избыток органической продукции, что привело к образованию горючих ископаемых, за счет накоплений которых  человек совершил промышленную революцию. За последние 60 млн лет в атмосфере выработалось относительно постоянное соотношение кислорода (21 %) и углекислого газа (0,03 %)

Установившееся соотношение скоростей автотрофных и гетеротрофных процессов может служить одной из главных функциональных характеристик экосистем. Отношение концентраций СО₂ и О₂ отражает соотношение скоростей этих процессов в экосистемах, т. е. соотношение аккумулированной продуцентами и рассеянной консументами энергии. При этом в разных экосистемах баланс этих процессов может быть либо положительным, либо отрицательным. Существуют системы с преобладанием автотрофных процессов, т. е. с положительным биотическим балансом (тропический лес, мелкое озеро, агроэкосистема). В других - наоборот, преобладают гетеротрофные процессы, т. е. имеет место отрицательный баланс (горная река, город).

Деятельность человека, который значительно, ускоряет процессы разложения, сжигая органическое вещество, накопленное в горючих ископаемых, ведя интенсивное сельское хозяйство, ускоряющее разложение гумуса; уничтожая леса и сжигая древесину. В воздух выбрасывается большое количество СО₂ до этого связанного в угле, нефти, торфе, древесине, гумусе почв.

Соотношение СО и О₂ в атмосфере характеризует баланс автотрофных и гетеротрофных процессов в биосфе ре в целом. Установившееся равновесие автотрофных и гетеротрофных процессов на Земле поддерживается благодаря способности экосистем и биосферы к саморегуляции.

         Саморегуляция экосистем обеспечивается внутренними механизмами, устойчивыми связями между их компонентами, трофическими и энергетическими взаимоотношениями. Сообщество организмов и физическая среда развиваются и функционируют как единое целое. Об этом прежде всего свидетельствует состав атмосферы Земли с уникально высоким содержанием кислорода. Умеренные температуры и, благоприятные для жизни условия кислотности обеспечены ранними формами жизни. Взаимодействие растений и микроорганизмов сглаживает колебания физических факторов. Например, аммиак, выделяемый организмами, поддерживает в воде, почвах и осадках величину рН, необходимую для их жизнедеятельности. Без этого значения рН могли бы стать такими низкими, что организмы не выжили бы в этих условиях.

Экосистемы имеют кибернетическую природу  и характеризуются развитыми информационными сетями, состоящими из потоков физических и химических сигналов, связывающих все их части в единое целое. Эти потоки управляют системой.

Кибернетическую природу экосистем трудно выя вить,  потому что компоненты в них связаны в информационные сети не непосредственно, а физическими и химическими «посредниками», подобно тому как гормоны гормональной системы связывают в одно целое части организма. При этом «энергия связи» в экосистемах рассеивается и слабеет с увеличением пространственных и временных параметров.

Низкоэнергетические сигналы, вызывающие высокоэнергетические реакции, очень распространены в природе. Например, каждый год миллионы людей и животных гибнут от различных инфекций в результате заражения микроскопическими паразитами, которые составляют малую долю от общего потока энергии в экосистеме (0,01 - 0,1 %), То же, в растительных сообществах: очень мелкие паразитические насекомые (низкоэнергетические сигналы) могут оказывать очень сильное управляющее воздействие на общий поток энергии, резко снижая продукцию органических веществ в растениях.

Управление основано на обратной связи, когда часть сигналов с выхода поступает на вход. Это явление обычно отражают обратной петлей, через которую «стекающая вниз» во вторичную субсистему энергия вновь подается на первичную субсистему. При этом влияние этой части энергии на управление всей экосистемой гигантски усиливается (рисунок).

Рисунок   . Управляющие механизмы экосистем с помощью обратной связи

Если обратная связь положительна, то значение выхода управляемой системы возрастает. Положительная обратная связь усиливает положительные отклонения и в значительной степени определяет рост и выживание организмов, хотя может приводить и к «расшатыванию» системы и нарушению равновесий. Для того чтобы осуществлять контроль, необходима отрицательная обратная связь, которая помогает, например, избегать перегрева, перепроизводства или перенаселения. Отрицательная обратная связь уменьшает отклонения на входе. Устройства для управления с помощью обратной связи в технике называют сервомеханизмами.

Закономерности функционирования экосистем.

         Сложные межвидовые взаимоотношения, определяющие функциональную целостность экосистем, отличаются относительной свободой структурных связей между отдельными компонентами. Виды в составе конкретных биоценозов могут замещаться биологически сходными видами. Нестабильность абиотических факторов экосистем является причиной колебаний состава и функциональных связей в биоценозах.

         Динамичность — одно из фундаментальных свойств экосистем, которое отражает не только зависимость последних от комплекса факторов, но и адаптивную (приспособительную) реакцию всей системы на эти факторы.

Масштабы времени, в которых выражается динамика экосистем, различны. Изменения могут иметь суточную или сезонную ритмичность, продолжаться несколько лет или охватывать целые геологические эпохи, влияя на развитие глобальной экосистемы Земли. На стадии зарождения жизни на Земле бурно шли разнообразные химические реакции. Синтезировались и вступали в последующие реакции одни вещества, другие разлагались, преобразовывались в иные соединения, причем считают, что весь процесс был мало упорядочен и хаотичен. С возникновением жизни химические процессы постепенно стали подчиняться определенным закономерностям и упорядочились. Атомы, входящие в состав органических соединений живой ткани, стали передаваться по пищевой цепи от одного звена к другому и в конце концов возвращаться в неорганическую природу.

         Академик В. И. Вернадский установил закономерность, сформулированную как закон биогенной миграции атомов: миграция химических элементов во всех экосистемах, включая биосферу в целом, либо осуществляется при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), либо протекает в среде, геохимические особенности которой (О₂, СО₂ , Н₂ и т. д.) обусловлены живым веществом, как населяющих планету в настоящее время, так и действовавшим на Земле в течение всей геологической истории.

         Разнообразие организмов, существующих во всевозможных экосистемах планеты, по В.И. Вернадскому, образует живое вещество Земли. Главной геохимической особенностью живого вещества является то, что оно пропускает через себя атомы химических элементов, осуществляя в процессе жизнедеятельности их закономерную сортировку и дифференциацию. Завершив свой жизненный цикл, организмы возвращают природе все, что взяли от нее в течение жизни.

Малые миграционные потоки химических элементов как между взаимосвязанными организмами, так и между организмами и окружающей их средой складываются в более крупные циклы — круговороты. Продолжительность и постоянство существования жизни поддерживают именно круговороты. Без них даже в масштабах всей Земли запасы необходимых элементов были бы очень скоро исчерпаны.

Круговорот биотический — явление не прерывного, циклического, закономерного, но неравномерного во времени и пространстве перераспределения вещества, энергии, информации в пределах экологических систем различного иерархического уровня организации — от биогеоценоза до биосферы. Круговорот веществ в масштабах всей биосферы называют большим кругом (рис. 6.2), а в пределах конкретного биогеоценоза малым кругом биотического обмена.

Лекция "Патологоанатомические изменения" также может быть Вам полезна.

         Часть биологического круговорота, состоящая из круговоротов углерода, воды, азота, фосфора, серы и других биогенных веществ, называют биогеохимическим круговоротом.

         Некоторое количество вещества может на время выбывать из биологического круговорота (осаждаться на дне океанов, морей, выпадать в глубины земной коры и т. п.). Однако в результате протекания тектонических и геологических процессов (вулканической деятельности, подъема и опускания земной коры, изменения границ между сушей и водой и др.) осадочные породы вновь включаются в круговорот, называемый геологическим циклом  или круговоротом.

         Круговороты веществ от продуцентов к консументам различных уровней, затем к редуцентам, а от них вновь к продуцентам замкнуты не полностью. Если бы в экосистемах существовала их полная замкнутость, то не возникало бы никаких изменений среды жизни, не было бы почвы, известняков и прочих горных пород биогенного происхождения. Таким образом, биотический круговорот можно условно изобразить в виде незамкнутого кольца. Принципиальная схема круговорота веществ, предложенная Н. Ф. Реймерсом, приведена на рис. 6.3, где самые мелкие кольца обмена соответствуют биогеоценотическому обмену веществ (в пределах элементарных экосистем), наибольшее кольцо — обмену веществ в планетарном (биосферном) масштабе, а остальные кольца  - обмену веществ в экосистемах соответствующих иерархических уровней.

         Потери вещества из-за незамкнутости круговорота минимальны в биосфере (самой крупной экосистеме планеты). Информация в экосистемах теряется с гибелью видов и необратимыми генетическими перестройками.

         Таким образом, каждая экосистема поддерживает свое существование за счет круговорота биогенов и постоянного притока солнечной энергии. Круговорот энергии в экосистемах практически отсутствует, поскольку от редуцентов она (энергия) возвращается к консументам в мизерных количествах. Считают, что коэффициент круговорота энергии не превышает 0,24%. Энергия может накапливаться, сберегаться (т. е. преобразовываться в более эффективные формы) и передаваться из одной части системы в другую но она не может быть снова пущена в дело, как вода и минеральные вещества. Единожды пройдя от растений-продуцентов через консументы к редуцентам, энергия выносится  в околоземное и космическое пространство. При движении через экосистему поток энергии затрагивает в основном ее биоценоз.