Чем определяется устойчивость экосистемы
Пищевые цепи, экологическая пирамида. Круговорот веществ и энергии в экосистемах
Вопрос 2. Чем определяется устойчивость экосистемы?
Наиболее устойчивыми являются биогеоценозы, характеризующиеся: 1) большим видовым разнообразием, 2) наличием неспециализированных видов, 3) слабой степенью отграниченноcn от соседних экологических систем и 4) большой биомассой. Действительно, разнообразие видового состава биоценозов обеспечивает реальное существование не столько цепей, сколько сетей питания, поскольку на каждом трофическом уровне находятся организмы разных видов, способные заместить друг друга в выполнении функций биотического круговорота веществ при изменении экологической ситуации.
В реальных экосистемах сосуществуют многие трофические цепи. Они сложным образом переплетаются, поскольку каждый биологический вид (популяция) может использовать разные источники пищи и сам является поставщиком органических веществ для многих видов. В результате возникают так называемые трофические (пищевые) сети, которые и определяют устойчивость экосистемы. Действительно, если цепь изолирована, то после исчезновения одного из звеньев все последующие трофические уровни тоже исчезнут (волки, питающиеся только оленями, после истребления оленей вымрут). Если же возможны разветвления и переплетения цепей, то просто произойдет переключение на другие источники пищи (волки могут питаться оленями, зайцами и грызунами, следовательно, в случае вымирания оленей они станут охотиться на мелкую добычу).
Вопрос 3. Составьте пищевую цепь, начинающуюся от растений.
Общая закономерность состоит в том, что в начале пищевой цепи находятся зеленые растения, в конце — крупные хищники.
Трофические цепи, которые начинаются от растений, называют пастбищными пищевыми цепями. Приведем в качестве примера цепь, характерную для сообщества луга: луговые растения → кузнечик → бурозубка → полевой лунь. Еще один пример — пищевая цепь пресного водоема: фитопланктон (одноклеточные водоросли) → зоопланктон (дафнии, циклопы) → мелкие рыбы (уклейки, плотва) → крупные рыбы (окуни, щуки).
Вопрос 4. Приведите примеры детритных пищевых цепей.
Термин детрит образован от латинского слова detritus — «истертый». Им обозначают мертвое органическое вещество, обычно существующее в виде мелких (в том числе, микроскопических) частиц. Детрит образуется из погибших растений и животных или их выделений и служит источником энергии для детритных пищевых цепей. Приведем примеры пищевых цепей: листовой опад → дождевой червь → певчий дрозд → ястреб-перепелятник; озерный детрит → мотыль (личинка комара-звонца) → колюшка → зимородок.
Вопрос 5. Объясните, что такое экологическая пирамида.
Существенно, что пищевые цепи в природе обычно включают 3—4 звена. Это обусловлено тем, что большая часть получаемой энергии (80—90%) используется организмами на поддержание жизнедеятельности и построение тела. По этой причине на каждом последующем трофическом уровне число особей прогрессивно уменьшается. Так, в среднем из 1000 кг растений образуется 100 кг тела травоядных животных. Хищники, поедающие травоядных, могут синтезировать из этого количества 10 кг своей биомассы, а вторичные хищники — только 1 кг. Эта закономерность носит название экологической пирамиды. Экологическая пирамида отражает число особей на каждом этапе пищевой цепи, или количество биомассы, или количество энергии. Все эти величины имеют одинаковую направленность. С каждым звеном в цепи организмы становятся крупнее, они медленнее размножаются, их число уменьшается. Особи вида, занимающего положение высшего звена, свободно размножаются, конкурируют друг с другом, но во взрослом состоянии не имеют врагов и непосредственно не истребляются. Ограничивающим фактором здесь является только размер территории для кормления и количество пищи. Виды, занимающие положение низших звеньев, обеспечены питанием, но интенсивно истребляются. Например, мышей потребляют лисы, волки, совы, змеи. В морях мелких ракообразных (например, креветок) в качестве источников пищи используют самые разнообразные животные, в том числе рыбы и млекопитающие. Такие организмы становятся кормовой базой высших животных. Прогрессивная эволюция оказывается возможной только для групп, находящихся на вершине экологической пирамиды.
Кроме пирамиды биомассы различают пирамиды численности и пирамиды энергии.
Устойчивость экосистемы.
Однако, в течение определенного и достаточно длительного времени экосистема устойчива и у этой устойчивости есть определенные критерии.
Критерий №1
Поток энергии и круговорот веществ.
Дальше по известной схеме трофических сетей органические вещества переходят с одного уровня на другой и поступают к редуцентам.
Критерий №2
Критерий №3
И все же экосистемы вечными не бывают.
Давайте рассмотрим примеры смен экосистем (кстати, в ЕГЭ эти вопросы встречаются в части С).
Абиотические разрушающие факторы: свет, выветривание, влажность;
Биотические разрушающие факторы: бактерии, лишайники, водоросли, грибы;
Создаются органические вещества, которые способствуют образованию почвы.
Затем появятся травянистые формы, потом кустарники и затем уже деревья.
Сукцессия водоема
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.
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.
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.