Стабильность и развитие экосистем

Естественные экологические системы и биогеоценозы (леса, степи, водоемы и т. п.) существуют в течение длительного времени, т. е. обладают определенной стабильностью во времени и в пространстве. Для поддержания такой стабильности требуется сбалансированность потоков веществ и энергии, процессов обмена веществ (ассимиляции и диссимиляции) между организмами и окружающей их средой. Но с другой стороны, ни одна экосистема не может быть абсолютно стабильной, неподвижной. Так, с определенной периодичностью идут процессы увеличения и уменьшения числа различных видов животных и растений.

Состояние подвижно-стабильного равновесия экосистемы носит название гомеостаза (греч. «гомео» – подобный, «стазис» – состояния). Гомеостаз – это совокупность сложных приспособительных реакций организма, направленных на устранение или максимальное ограничение действия различных факторов внешней или внутренней среды, нарушающих относительное постоянство внутренней среды организма. Гомеостатичность – важнейшее условие существования любой экосистемы; но в разных видах систем закономерности проявления гомеостаза неодинаковы.

Гомеостаз в естественном биогеоценозе обусловлен открытостью системы, т. е. непрерывностью получения информации из окружающей среды. Так, например, растения в процессе развития и процесса фотосинтеза непрерывно получают солнечную энергию и массу химических веществ. Ассимиляция сопровождается диссимиляцией, накопление вещества – его постоянным распадом.

Гомеостаз антропогенной, созданной человеком экологической системы поддерживается и управляется самим же человеком. И хотя для антропогенной экосистемы справедливы все основные законы природы, но в отличие от природного биогеоценоза она не может рассматриваться как открытая.

Так, например, в аэротенке – в сооружении для очистки сточных вод – идет процесс сорбции поверхностно-активным илом содержащихся в сточных водах веществ. Частично эти вещества усваиваются организмами активного ила, частично сорбируются, и активный ил оседает. При непрерывном поступлении сточных вод концентрация активного ила в аэротенке снижается. В конечном итоге равновесное состояние нарушается, качество очистки снижается. Возникают нежелательные процессы «вспухания» ила, связанные с массовым размножения грибов в нитчатых водорослей. В результате система перестаёт работать. Для того чтобы система аэротенка сохраняла режим своей работы, человек вынужден проводить аэрацию и периодически обновлять ил.

Динамика экосистем. Любой биогеоценоз динамичен, в нём постоянно происходят изменения в состоянии жизнедеятельности его членов и соотношении популяций. Все многообразные изменения, происходящие в любом сообществе, относятся к двум основным типам: циклическим и поступательным.

Циклические изменения сообществ отражают суточную, сезонную и многолетнюю периодичность внешних условий и проявлений эндогенных (внутренних) ритмов организма.

Поступательные изменения в сообществе приводят в конечном итоге к смене этого сообщества другими, с иным набором господствующих видов. Причиной подобных смен могут быть внешние по отношению к ценозу факторы, длительно действующие в одном направлении. Например, осушение болотных почв в результате мелиорации, усиленный выпас скота, загрязнение водоёмов и т. п.

Закономерный и направленный процесс изменения сообществ в результате взаимодействия живых организмов между собой и окружающей их абиотической средой называют сукцессией.

Сукцессия (от лат. succesio – преемственность) – последовательная необратимая смена биоценозов, преемственно возникающих на одной и той же территории в результате влияния природных факторов или воздействия человека.

В основе сукцессии лежит понятие биологического круговорота в данном биоценозе. Каждый живой организм в результате жизнедеятельности меняет вокруг себя среду, изымая из неё часть веществ и насыщая ее продуктами метаболизма. При более или менее длительном существовании популяций они меняют свое окружение в неблагоприятную сторону и в результате оказываются вытесненными популяциями других видов, для которых вызванные преобразования среды оказываются экологически выгодными. Происходит смена господствующих видов более устойчивым и соответствующим конкретным абиотическим условиям среды.

Различают сукцессии зоогенные, вызванные сильным воздействием животных, фитогенные (под сильным воздействием растений), антропогенные (под воздействием хозяйственной деятельности человека), катастрофические (следствие пожара, сильного ветра, загрязнения воды, атмосферы и т. п.).

Человек воздействует на экосистемы, находящиеся на определенных этапах сукцессии, и от этого зависит дальнейшее развитие экосистемы.

Различают первичные и вторичные сукцессии.

Первичной сукцессией называется процесс развития и смены биоценозов на незаселенных ранее участках, начинающийся с колониза­ции последних. Известный пример – постепенное обрастание голой скалы с развитием в конечном итоге на ней леса.

Вторичная сукцессия происходит на месте сформировавшегося ранее биоценоза после его нарушения по какой-либо причине (пожар, вырубка леса, засуха и т. п.). В современных условиях вторичные изменения наблюдаются повсеместно.

Сукцессия завершается стадией, когда все виды экосистемы, размножаясь, сохраняют относительно постоянную численность и дальнейшей смены ее состава не происходит. Такое равновесное состояние называют климаксом, а экосистему – климаксовой. В такой экосистеме существует равновесие между связанной ею энергией и энергией, затрачиваемой на поддержание жизнедеятельности своих компонентов. Таким образом, климаксовый биоценоз находится в состоянии гомеостаза. В разных абиотических условиях формируются различные климаксовые экосистемы. В сухом и жарком климате это будет пустыня; в жарком, но влажном – тропические леса.

При сукцессиях изменения происходят постепенно: это более или менее упорядоченный процесс замещения одних видов другими, на всех стадиях которого экосистема достаточно сбалансирована и разнообразна. Однако возможны и внезапные изменения, которые вызывают популяционный взрыв некоторых видов за счет гибели многих других. В таких случаях приходится говорить уже не о сукцессии, а об экологическом нарушении. Последнее возникает, например, в результате сброса богатых биогенами сточных вод в естественные водоемы, что вызывает бурный рост некоторых водорослей. Иногда изменения могут быть столь резкими, что практически ни один исходный компонент экосистемы не сохраняется, и тогда наступает ее гибель. Впоследствии на освободившемся месте могут поселиться другие виды, которые способны выдержать новые условия, т. е. фактически начинается новая сукцессия. При этом важно подчеркнуть, естественные изменения экосистем обычно протекают медленно. В то же время вмешательство человека, в частности военные действия, бывает подчас настолько внезапным и глубоким, что может привести к гибели экосистем.

Эволюционная сукцессия. В результате естественного отбора различные виды организмов все более приспосабливаются к сосуществованию с хищниками и паразитами, к климатическим условиям и другим биотическим и абиотическим факторам. Однако ни один вид, за исключением человека, не способен предвидеть будущие изменения среды, а тем более подготовиться к ним. Как следствие, при резком изменении любого абиотического или биотического фактора (например, при похолодании) вид, плохо приспособленный к новым условиям, ожидает один из трех вариантов: миграция, адаптация или вымирание.

В том случае, когда одни виды вымирают, а выжившие особи других размножаются, адаптируются и изменяются под действием естественного отбора, говорят об эволюционной сукцессии. Это означает, что в разные периоды своей истории Земля была населена разными существами, что доказывается обнаруженными ископаемыми остатками растений и животных.