Закономерности функционирования экосистем

Как указывалось выше, жизнь в биосфере поддерживается постоянным притоком солнечной энергии, которая воспринимается молекулами живых клеток и через фотосинтез преобразуется в энергию химических связей. Химические вещества переходят от одних организмов к другим по трофическим цепям. При этом живой организм извлекает энергию, из пищи, используя упорядоченность ее химических связей. Часть этой энергии расходуется на поддержание жизненных процессов самого организма, часть теряется, а 5-20% от общего количества передается организмам последующих пищевых уровней. Не израсходованная на дыхание часть биомассы разлагается редуцентами. В итоге вся биомасса при распаде высвобождает всю содержавшуюся в ней энергию. Таким образом, экосистемы представляют собой, энергетически открытые системы. Поэтому постоянный приток солнечной энергии — необходимое условие существования экосистемы. Высвобождающаяся энергия безвозвратно теряется для системы, а химические элементы вновь вовлекаются в круговорот веществ.

Нормальные биогеохимические циклы не являются замкнутыми, хотя степень обратимости годичных циклов важнейших биогенных элементов достигает 95-98%. Неполная обратимость (незамкнутость) - одно из важнейших свойств биогеохимических циклов, имеющее планетарное значение. Именно это обусловило биогенное накопление кислорода и азота в атмосфере, а также различных химических элементов и соединений в земной коре. Например, за счет неполной обратимости цикла углерода в течение последних 600 млн лет накопились огромные запасы углеродистых отложений (известняков, битумов, углей, нефти и т. д.), оцениваемые в 10¹⁶—10¹⁷ т.

Цикличность преобразования элементов обеспечивается односторонне направленной передачей биомассы в трофических цепях экосистем. Пищевые цепи могут состоять из малого или большого числа звеньев. Организмы разных трофических цепей, но при этом получающие пищу через равное число звеньев в цепи питания, находятся на одном трофическом уровне. Реальные взаимоотношения между трофическими уровнями в экосистеме очень сложны.

Популяции одного и того же вида, участвуя в различных трофических цепях, могут находиться на разных трофических уровнях, в зависимости от источника используемой энергии. На каждом трофическом уровне потребленная пища большей частью используется на поддержание жизнедеятельности и обмена веществ. При этом, как уже указывалось, часть энергии, заключенной в пище, теряется в виде теплоты. Поэтому продукция организмов каждого последующего трофического уровня всегда меньше и составляет не более 10-20% предыдущего. Относительное количество энергии, передающейся от одного трофического уровня к другому, называется экологической эффективностью сообщества (экосистемы).

В экосистемах уменьшение количества доступной энергии обычно сопровождается уменьшением биомассы и численности особей на каждом трофическом уровне.

Все существующие естественные экологические системы можно разделить на два основных типа — наземные и водные. Несмотря на то что в обоих типах сообществ присутствуют и действуют основные экологические компоненты, существуют значительные функциональные и структурные отличия.

В сухопутных (наземных) экосистемах продуценты (автотрофный компонент) представляют собой крупные организмы, у которых от года к году происходит накопление биомассы. Например, прирост деревьев в лесу, рост трав за сезон вегетации, созревание семян и плодов (накопление надземной биомассы) или разрастание корневой системы травянистых растений на лугах и в степях (накопление подземной биомассы). Накопленную биомассу можно изъять в виде урожая.

В водных экосистемах продуценты в основной своей массе мелкие (фитопланктон). У них происходит частая смена поколений. Продуктивность такой экосистемы велика, но в каждый момент времени биомасса мала, и в низших звеньях водной трофической цепи в качестве урожая взять нечего.

В целях сравнения продуктивности отдельных видов, популяций и экосистем в экологии определяют удельную продуктивность — величину продукции животных или растений, отнесенную к их средней биомассе за один и тот же отрезок времени. Известно, что скорость обмена веществ и роста организмов обычно возрастает со снижением их размеров. Поэтому удельная продуктивность автотрофов) в водных экосистемах очень высока и за год выражается двузначными и трехзначными числами, а у наземных продуцентов этот показатель не превышает единицы.

Наземные экосистемы играют особую роль в жизни человека, поскольку урожай в них можно получать на всех трофических уровнях в отличие от водных сообществ, где используется только верхняя часть экологической пирамиды. Следовательно, особенности двух типов экосистем необходимо учитывать при эксплуатации природных ресурсов.

Между крайними типами экосистем существует множество переходных вариантов, тесно связанных друг с другом. Различные экосистемы взаимодействуют, образуя сложную структуру биосферы. Между экосистемами происходит обмен живыми организмами и их зачатками (личинками, спорами, семенами). Благодаря подвижности воздуха и воды, перепадов (градиента) температуры, диффузии газов происходит расселение растений, животных и микроорганизмов. Птицы и насекомые перемещаются во время сезонных перелетов как другие животные во время кочевок.

Вещество перемещается в виде твердых и жидких частиц. Часто минеральные элементы сдуваются ветром и смываются водой с горных пород. Обмен энергией происходит как в виде тепла, так и в виде энергии химических связей (т. е. органических соединений).

По отношению к межбиоценотическим связям можно выделить три основные группы наземных экосистем:

1) стабильные сообщества, расположенные на равнинных междуречьях, в которых вынос веществ в другие экосистемы и получение их со стороны незначительны;

2) мало теряющие, но много получающие биоценозы, расположенные на низких уровнях рельефа, где накапливаются большие запасы органического вещества;

3) много теряющие, но мало получающие экосистемы на крутых склонах. Так образуется цепь экосистем, перераспределяющая вещество и энергию в биосфере.

Интенсивная хозяйственная деятельность человека ведет к замене естественных экосистем искусственными, в первую очередь, - сельскохозяйственными, или агроценозами. В агроценозах растительный покров создается человеком и представлен обычно одним видом или сортом культивируемого растения и сопутствующими сорняками. Как и в любой экосистеме, в агроценозе существуют пищевые цепи. Комплексы организмов, за исключением культивируемых растений, в агроценозе формируются под влиянием естественного отбора. При этом человек, создавая условия для возделываемого вида, жестко подавляет другие виды - деятельность также становится дополнительным экологическим фактором.

Агроценоз не способен длительно существовать без вмешательства человека, так как не обладает саморегуляцией. В то же время он характеризуется высокой продуктивностью, что позволяет собирать большой урожай (значительно превосходящий таковой у естественных сообществ) одного или нескольких видов (сортов) растений. Вместе с урожаем из почвы изымается большое число минеральных элементов, поэтому агроценозы нуждаются в восстановлении плодородия через внесение удобрений. В настоящий момент сельскохозяйственные угодья занимают на планете огромные площади, и агроценозы становятся все более важными регуляторами газового режима. Для охраны окружающей среды важна правильная организация сельскохозяйственных ландшафтов, которая обеспечивала бы максимальное усвоение растениями углекислого газа и вела бы к росту урожайности культурных растений. Следует отметить, что агроценозы создаются не только в области растениеводства, но и в животноводстве и звероводстве.

Помимо агроценозов, искусственные экосистемы создаются для жизни и работы человека в космическом пространстве, а также в противоатомных убежищах. Для длительного поддержания существования человека в этих условиях необходима замкнутая система жизнеобеспечения, подобная биоценозу. Примерный состав системы жизнеобеспечения, способной функционировать длительное время, таков: человек, автотрофные организмы, гетеротрофные организмы (для животной пищи человека), звено минерализации и утилизации отходов. В настоящий момент идет экспериментальный поиск организмов, пригодных для создания таких замкнутых искусственных экосистем. Пока в качестве автотрофов предполагают использовать тропические корнеплоды (батат и др.), а в качестве гетеротрофов - некоторых всеядных рыб и птиц.

С технической точки зрения закрытая (искусственная) экосистема должна состоять из следующих компонентов:

• звено регенерации воды и газовой среды (для поддержания состава кислорода в воздухе, удаления углекислого газа, а также токсичных веществ, обогащения и регенерации воды, выделяемой организмами, и санитарно-гигиенической воды);

• звено обеспечения пищей и синтеза пищевых продуктов;

• звено удаления и утилизации отходов жизнедеятельности (сбор

отходов, их переработка, очищение от запахов);

• устройства конденсирования влаги из газовой среды;

• санитарно-гигиенические устройства.

К настоящему времени создать эффективную искусственную экосистему, способную обеспечить жизнь человека в течение длительного времени, пока не удалось. Поэтому космические полеты к другим планетам и звездным системам на сегодняшний день неосуществимы.