Чем определяется устойчивость экосистемы кратко
Устойчивость экосистем: иллюзия или реальность
Основные понятия и теории
Экосистема – это совокупность живых организмов, среды их обитания и связей между ними, посредством которой происходит обмен веществами и энергией. То есть она состоит из частей и связей между ними. Именно от них и зависит устойчивость экосистем.
Если максимально упростить, то ее можно описать так: это перемещение химических элементов от одного живого организма в другой при помощи энергии. Элементов этих не так много. Основными являются углерод, кислород, азот и кальций. Перемещаются они в виде различных органических и неорганических веществ и соединений. Преобразование их из одних форм в другие также происходит при помощи энергии.
В научном мире до сих пор нет единого мнения, какие главные для экосистем причины устойчивости. Преобладает мнение, что чем система сложнее, тем она устойчивее. Речь идет о разнообразии видов флоры и фауны, ее составляющих. Чем больше видов, тем сложнее пищевая цепь и есть возможность, в случае необходимости, замещения одного вида другим. На практике, такая теория, не получила однозначного подтверждения. «Простые» иногда бывают гораздо устойчивее «сложных». В качестве примера всегда приводят Большой Барьерный риф в Австралии. Его видовое разнообразие поражает также, как и его хрупкость. Даже незначительное изменение температурного режима, приведет к его гибели.
Определяется устойчивость экосистемы, как способность сохранять текущее состояние, несмотря на воздействие и влияние внешних факторов. У биологических она называется гомеостаз, который является обязательным условием существования как отдельной клетки и организма, так и всей биосистемы, независимо от ее величины.
Внешний фактор
Внешнее влияние и воздействие – это единственный необходимый и никем не оспариваемый фактор, заставляющий реагировать, вырабатывать определенные способности и вырабатывать устойчивость экосистем.
Внешнее воздействие, каким бы оно ни было, абиотическим – солнечное излучение, температура, давление и так далее, или биотическим, в том числе антропогенным, действует на все живые организмы, от примитивных до высокоразвитых. Кроме того, оно может оказывать влияние на связи между живыми организмами. В любом случае влиянию подвергается вся система через воздействие на ее части. Она реагирует не сразу. Внутри нее происходят изменения. Например: сокращается поголовье, вплоть до полного исчезновения вида на определенной территории или, наоборот, количественный рост. То есть воздействия, применительно к отдельному живому организму или виду, может иметь негативный и позитивный характер. На что организм реагирует – возникает обратная связь. Приспосабливаемость, адаптация, противодействие отдельной части и связи, приводит к тому, что система получает способность сохранять структуру и функции, становится резистентной. Если под воздействием внешних факторов, она утратила часть структуры или функцию, она может ее восстановить. Такую способность принято называть упругостью. Эти качества дают системе возможность вернуться в прежнее или близкое к нему устойчивое состояние. Они и есть у экосистем основа устойчивости.
«Залатывая» одни дыры, система получает новые. Начинает бороться с ними. И так постоянно. Такое состояние называется динамическим равновесием.
Человеческий фактор
К внешним факторам влияния можно отнести и антропогенный. Хотя, человек вроде бы как находится внутри системы, а не за ее пределами.
Экосистемы, по степени участия в их создании человека, могут быть природные и искусственные. Во втором виде степень влияния человека на ее существование и изменения определяющая. Такой же она может быть и на естественные или природные. Человек может оказывать на них такое влияние, что от «устойчивости» не останется следа. Примеры вокруг нас. И нигде, к сожалению, человек не устранил последствия своего воздействия, не восстановил экосистему.
Уровень вмешательства человека в природу уже достиг той отметки, что в опасности не отдельные экосистемы, а биосфера в целом.
Видео — Устойчивость и динамика экосистем
Саморегуляция и устойчивость экосистем
Любой биоценоз имеет способность к саморегуляции. В чем выражается это базовое свойство экосистем? Численность особей в популяциях контролируется как «сверху», так и «снизу». «Снизу» популяция контролируется наличием и доступностью жизненных ресурсов, а «сверху» на нее оказывают давление организмы, принадлежащие к следующему трофическому уровню. Таким образом, размер популяции подвержен колебаниям, но в нормальных ситуациях они не катастрофичны, а закономерны и привязаны либо к сезонным изменениям абиотических факторов (освещенность, длина дня, температура и пр.), либо к факторам биотическим. Разнообразные формы отношений между разновидовыми популяциями делают из экосистемы целостную биологическую общность.
Долговременное существование экосистем — то есть их устойчивость — обеспечивают взаимодействия между продуцентами, консументами и редуцентами, происходящие благодаря круговороту веществ и поступлению в систему солнечной энергии.
Устойчивость экосистемы обусловлена нескольким причинами.
Биологическим разнообразием — при достаточно большом видовом разнообразии животные-консументы вольны выбирать любые виды пищевых ресурсов, наиболее рассчитывая на массовые и потому доступные. Биологическое разнообразие позволяет целесообразно использовать ресурсы среды. Если птицы в лесу столь активно охотились на определенный вид многоножек, что почти уничтожили их, можно переключиться на других насекомых и червей, давая возможность многоножкам восстановить популяцию.
1. Высокой численностью особей каждого вида в популяции и поддержанием ее на том уровне, который позволяет всем особям находить пропитание и место проживания.
2. Сложными, разветвленные цепями и сетями питания.
3. Сбалансированным (замкнутым) круговоротом веществ.
Взаимоотношения хищник — жертва могут быть примером регуляции численности видов в экосистеме. Колебания численностей удобно представлять в виде взаимосвязанных циклов. Рассмотрим, как изменяется в бореальных лесах Канады численность популяции зайца американского беляка. Примерно раз в 10 лет экологи отмечают подъем и спад популяции зайцев. «Заячьи» колебания коррелируют с численностью популяций некоторых хищников, к примеру, рыси. В тот момент, когда популяция зайцев достигает максимума, увеличивается и популяции рыси. Эта взаимосвязь понятна — в лесах много пищи для хищников, которые чувствуют себя прекрасно и активно плодятся. И наоборот, стоит сократиться численности зайцев (по причине болезней или недостатка кормов от перенаселенности), как рысь испытывает голод и гибнет. Меньше хищников, больше подножного корма — зайцы вновь начинают плодиться, и популяция растет.
Экосистема и ее факторы
Продуценты, консументы и редуценты
Растения, преобразующие энергию солнечного света в энергию химических связей. Создают органические вещества, потребляемые животными.
Пищевые цепи
Взаимоотношения между организмами разных трофических уровней отражаются в пищевых цепочках (трофических цепях), в которых каждое предыдущее звено служит пищей для последующего звена. Поток энергии и веществ идет однонаправленно: продуценты → консументы → редуценты.
В естественных сообществах пищевые цепи часто переплетаются, в результате чего образуются пищевые сети. Это связано с тем, что один и тот же организм может быть пищей для нескольких разных видов. Например, филины охотятся на полевок, лесных мышей, летучих мышей, некоторых птиц, змей, зайцев.
Экологическая пирамида
Экологическая пирамида представляет собой графическую модель отражения числа особей (пирамида чисел), количества их биомассы (пирамида биомасс), заключенной в них энергии (пирамида энергии) для каждого уровня и указывающая на снижение всех показателей с повышением трофического уровня.
Существует правило 10%, которое вы можете встретить в задачах по экологии. Оно гласит, что на каждый последующий уровень экологической пирамиды переходит лишь 10% энергии (массы), остальное рассеивается в виде тепла.
Представим следующую пищевую цепочку: фитопланктон → зоопланктон → растительноядные рыбы → рыбы-хищники → дельфин. В соответствии с изученным правилом, чтобы дельфин набрал 1кг массы нужно 10 кг рыб хищников, 100 кг растительноядных рыб, 1000 кг зоопланктона и 10000 кг фитопланктона.
Агроценоз
Факторы экосистемы
К биотическим факторам относятся все живые существа и продукты их жизнедеятельности. Например: хищники регулируют численность своих жертв, животные-опылители влияют на цветковые растения и т.д. Это и самые разнообразные формы взаимоотношений между животными (нейтрализм, комменсализм, симбиоз).
В результате деятельности человека произошли глобальные изменения: над Антарктикой появились «озоновые дыры», ускорилось глобальное потепление, которое ведет к таянию ледников и повышению уровня мирового океана.
За миллионы лет эволюции растения и животные вырабатывают приспособления к тем условиям среды, где они обитают. Так у алоэ, растения живущего в засушливом климате, имеются толстые мясистые листья с большим запасом воды на случай засухи. У каждого организма вырабатывается своя адаптация.
Формируются привычные биологические ритмы (биоритмы): организм адаптируется к изменениям освещенности, температуры, магнитного поля и т.д. Эти факторы играют важную роль в таких событиях как сезонные перелеты птиц, осенний листопад.
Если адаптация не вырабатывается, или это происходит слишком медленно по сравнению с другими видами, то данный вид подвергается биологическому регрессу: количество особей и ареал их обитания уменьшаются и со временем вид исчезает. Иногда деятельность человека играет решающий фактор в исчезновении видов.
Закон оптимума
За пределами зоны оптимума начинается зона угнетения (пессимума). Если значение фактора лежит в зоне пессимума, то организм испытывает угнетение, однако процесс жизнедеятельности может продолжаться. Таким образом, зона пессимума лежит в пределах выносливости организма. За пределами выносливости организма происходит его гибель.
Фактор, по своему значению находящийся на пределе выносливости организма, или выходящий за такое значение, называется ограничивающим (лимитирующим). Существует закон ограничивающего фактора (закон минимума Либиха), гласящий, что для организма наиболее значим фактор, который более всего отклоняется от своего оптимального значения.
Метафорически представить этот закон можно с помощью «бочки Либиха». Смысл данной метафоры в том, что вода при заполнении бочки начинает переливаться через наименьшую доску, таким образом, длина остальных досок уже не играет роли. Так и наличие выраженного ограничивающего фактора сводит на нет благоприятность остальных факторов.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Устойчивость экосистем
Толерантность вида. Термин толерантность (от лат. tolerantia – терпение) означает выносливость вида по отношению к колебаниям какого-либо экологического фактора, или другими словами, способность организмов переносить отклонения экологических факторов среды от оптимальных для них величин. Изменения величин этих факторов для каждого организма допустимы только в определенных пределах, при которых сохраняется нормальное функционирование организма, т.е. его жизнеспособность. Допустимые пределы изменений экологических факторов среды называются границами толерантности. Разные виды организмов отличаются более широкими или более узкими границами толерантности. Чем большие пределы изменения параметров среды безболезненно выдерживает конкретный организм, тем выше толерантность, или устойчивость этого организма к изменению экологических факторов среды.
Адаптация организмов к изменению экологических факторов. Показатели устойчивости организмов в изменяющихся условиях среды обитания определяются возможностями организмов приспосабливаться (адаптироваться) к изменениям биотических и абиотических факторов. Адаптациями называются эволюционно выработанные и наследственно (генетически) закрепленные свойства организмов, обеспечивающие их нормальную жизнедеятельность при изменениях экологических факторов. Адаптационные возможности у разных видов очень сильно различаются. Например, береза хорошо растет как на сухих, так и увлажненных почвах, а сосна – только на почвах с умеренным увлажнением.
Часто важны не только пределы изменения экологических факторов, но и скорость их изменения, т.е. динамика. Не все виды способны приспособиться к быстрым изменениям условий среды. Виды, которые не могут (или не успевают) приспособиться к изменившимся условиям, вымирают и их экологические ниши в экосистемах занимают другие, более пластичные виды.
Рассмотрим основные виды адаптаций организмов к изменениям экологических факторов. Наиболее важными из них являются:
К морфологическим адаптациям относятся видоизменения органов, например, развитие у баобаба колючек вместо листьев, а у китов и дельфинов – плавников вместо ног. Физиологические адаптации связаны с особенностями ферментативного набора в пищеварительном тракте. Так, потребность животных во влаге удовлетворяется в пустынях путем биохимического окисления жиров, а у растений биохимические процессы фотосинтеза позволяют создавать органическое вещество из неорганических соединений. Поведенческие адаптации проявляются, например, в способах обеспечения теплообмена у птиц путем сезонных перелетов, у животных – с помощью линьки; для обеспечения пищей хищники используют приемы затаивания (в засаде), а их жертвы – защитную окраску.
Устойчивость экосистем – это способность экосистем сохранять структуру и нормальное функционирование при изменениях экологических факторов. Рассмотренные выше адаптации организмов к изменениям факторов среды обитания в определенной степени обеспечивают устойчивость экосистем, в состав которых они входят, к изменению экологических факторов среды. Однако, как и всякая более сложная система, экосистема по сравнению с отдельными видами организмов имеет более высокую степень надежности функционирования в изменяющейся среде, так как на системном уровне формируются и развиваются новые, системные механизмы обеспечения устойчивости и живучести экосистем, которые отсутствовали у отдельных видов. Такие эволюционно выработанные механизмы приспособления экосистем к изменениям среды обитания называются адаптациями экосистем.
Рассмотрим адаптации экосистем, состоящие из адаптационных механизмов двух уровней: видовой уровень и интеграционный, или системный уровень. Видовой (низший) уровень соответствует ранее рассмотренным механизмам в подразделе «Адаптации организмов к изменению экологических факторов». Системный уровень образуют приспособительные механизмы, возникающие за счет видового взаимодействия по трофическим цепям и сетям. Природа этих интеграционных, системных механизмов обеспечения устойчивости экосистем основана на круговороте веществ, который осуществляется с помощью трофических цепей.
Существование биогеохимических круговоротов создает возможность для саморегуляции экосистем (или гомеостаза), что придает экосистеме устойчивость в течение длительных периодов. Например, показателем устойчивости глобальной экосистемы, связанной с круговоротом веществ, может служить следующий факт. Известно, что 93% массы тела человека составляют 4 химических элемента: кислород, углерод, водород и кальций, которые, во-первых, входят в перечень одиннадцати самых распространенных в геосферах Земли химических элементов, и, во-вторых, эти четыре элемента сами образуют более 56% массы геосфер.
Видовое разнообразие – также один из факторов устойчивости экосистем к неблагоприятным факторам среды. Разнообразие обеспечивает как бы подстраховку, дублирование устойчивости. Например, малочисленный вид при неблагоприятных условиях для другого широко представленного вида может резко увеличить свою численность и таким образом заполнить освободившееся пространство (экологическую нишу), сохранив экосистему как единое целое. Такая последовательная смена видов или замена одного биоценоза другим называется сукцессией (от лат. сукцедо – следую).
Чтобы лучше уяснить суть сукцессии в экосистеме, рассмотрим два примера:
1) известно, что после лесного пожара сначала появляются лиственные породы, а затем через 70–100 лет их сменяют хвойные;
Таким образом, увеличение степени разнообразия является основой того, что экосистемы с более длинными цепями питания формируют более интенсивный круговорот веществ и, следовательно, обладают повышенной устойчивостью благодаря возможностям саморегуляции (гомеостаза).
Гомеостаз. Природные экосистемы (например, лесные, степные) существуют в течение длительного времени и обладают определенной стабильностью, для поддержания которой необходима сбалансированность потоков вещества и энергии в процессах обмена между организмами и окружающей средой. Однако абсолютной стабильности в природе не бывает. Поэтому стабильность состояния природных экосистем является относительной, показателем которой может служить, например, периодически изменяющаяся численность популяций разных видов в экосистеме: численность одних видов увеличивается, других – уменьшается. Такое динамически равновесное состояние, или состояние подвижно—стабильного равновесия экосистем, называют гомеостазом (от греч. гомео – тот же; стазис – состояние).
Ключевой для понимания гомеостаза экосистем термин «подвижно-стабильное равновесие» означает, что устойчивое функционирование экосистем в изменяющихся условиях среды возможно именно вследствие того, что экосистема находится в квазиравновесном состоянии, принципиально отличающимся от понимания состояния равновесия в физике. Чтобы понять это различие, кратко рассмотрим составные части этого термина.
а) Стабильность означает, что природные экосистемы существуют в течение длительного времени и обладают определенной относительной стабильностью во времени и пространстве. Заметим, что особенностью искусственных (техногенных, созданных человеком) экосистем является то, что человек сам должен поддерживать равновесие в этих экосистемах, т.е. управлять процессами их функционирования, например, замена ила в региональных, муниципальных или производственных водоочистных сооружениях, в которых культивируются колонии бактерий, пожирающих, сорбирующих, разлагающих загрязняющие вещества в сточных водах.
б) Подвижность означает изменчивость свойств (например, численности популяций) и структуры экосистемы, т.е. совокупности видов. Последовательные изменения в состоянии равновесия в природных экосистемах отражаются в смене видов (например, в процессе сукцессии), сопровождающейся и изменениями в структуре и свойствах трофических цепей (сетей). Разнообразие видов формирует сукцессию, обеспечивая заполненность пространства жизнью и увеличивая степень замкнутости биогеохимического круговорота в экосистеме.
Следовательно, гомеостатичность – общее свойство всех экосистем, зависящее от эффективности комплекса адаптационных механизмов, действующих как на уровне отдельных видов, так и на уровне экосистемы в целом. Гомеостатичность зависит от возраста и видового разнообразия экосистем и поэтому сильно различается как у разных сообществ, так и в естественных и искусственных экосистемах.
Устойчивость экосистем
Устойчивость – способность экосистемы сохранять свою структуру и функциональные свойствапри воздействии внешних факторов, способность возвращаться в исходное состояние. Устойчивыми будут экосистемы в климаксовой стадии. Дубрава, ковыльная степь, тайга – пример упругих экосистем. Но и среди природных (зональных) экосистем есть различия в устойчивости. Лиственные леса более пластичны, чем хвойные. Степь устойчивее тундры. Все сукцессионные стадии – неустойчивые экосистемы, которые стремяться к устойчивости.
Главным условием устойчивости является видовое разнообразие. Устойчивость определяется соответствием видового разнообразия экосистемы условиям жизни и степенью развитости этих экосистем.
Видовое разнообразие обеспечивает функции экосистемы засчет:
1. Взаимной дополнительности видов. Н-р. В лесу виды делят свет по ярусам, в почве виды делят пищу, разделение труда у животных: время активности, место выведения потомства и т.д.)
2. Взаимозаменяемость видов. Со схожими экологическими требованиями виды могут заменять друг друга в выполнении функций. Н-р, насекомые опылители, разные виды елей, пихты.
3. Регуляторные свойства. Саморегуляция на свойствах обратной связи. Чем разнообразнее виды, тем больше у жертвы хищников.
Глобальная экологическая проблема – снижение видового разнообразия, которое грозит устойчивости всей биосферы. Важно не допустить снижения видового разнообразия до такого уровня, который отразится на устойчивости биосферы.
К неустойчивым относятся все антропогенные системы.
Агроэкосистемы. Пути повышения их устойчивости и урожайности.
Устойчивую регуляцию численности отдельных видов может осуществлять только сложное сообщество. Одно из современных направлений в сельском хозяйстве – поддержание как можно большего видового разнообразия на полях и их окружении. Из-за изъятия урожая агроценозы не в состоянии поддерживать круговорот веществ. Почва быстро истощается, если не вернуть в нее биогенные элементы в виде минеральных и органических удобрений. Поддерживать устойчивый биологический круговорот веществ можно при экологически грамотном создании агроэкосистем.
Агроэкосистемы – это такие сознательно спланированные человеком территории, на которых сбалансировано получение сельскохозяйственной продукции и возврат ее составляющих на поля. Высокое биологическое разнообразие поддерживается за счет специально спланированного ландшафта: чередование полей, лугов, перелесков, создание живых изгородей, лесополос, водоемов и т.п. Большую роль в поддержании разнообразия видов на полях играет правильная организация севооборотов, чередование культур во времени и в пространстве. Наиболее передовым направлением современного сельского хозяйства является переход от принципов противоборства с природой к принципам сотрудничества с ней. Это означает максимальное следование экологическим законам в сельскохозяйственной практике.