Чем поддерживается устойчивость биосферы суточными и сезонными ритмами
Влияние биогеохимических круговоротов на стабильное существование биосферы
Обновлено: 22 Сентября 2021
Наша планета — это огромный мир живых организмов, каждый их которых выполняет свою функцию. Что угрожает сегодня экосистеме нашей планеты?
Стабильное существование биосферы Земли — что обеспечивает основу
Биосферой называют живую оболочку планеты, заселенную живыми организмами. Это часть планеты, которая находится под их воздействием и состоит из продуктов их жизнедеятельности.
Биосфера — сложная экологическая система, которая обеспечивает себе стабильное существование за счет точного и сложного регулирования всех ее составных частей. Она существует благодаря солнечной энергии и происходящим в ней химическим процессам. В ее состав входят земля, вода, природные вещества — все, что необходимо для существования живых организмов.
В биосфере живет и развивается более трех миллионов растений, животных и бактерий, в том числе человек.
Живые организмы являются главной силой, которая меняет и преображает планету. Эту роль они выполняют на протяжении всего существования на Земле.
Основы стабильности биосферы:
Стабильность биосферы поддерживается происходящими в ней круговоротами веществ и превращением энергии.
Устойчивость биосферы зависит от факторов:
Все три фактора должны действовать во взаимосвязи, чтобы не нарушать стабильность существования системы.
Неустойчивая биосфера и устойчивое развитие
За период своего существования биосфера прошла сложный путь развития: была на грани уничтожения, но снова возрождалась.
Примером катастрофы ученые называют столкновение Земли с крупным астероидом, произошедшее 65 млн лет назад. Природный баланс был нарушен. В результате погибли крупные позвоночные, в том числе динозавры. Планета почти полностью лишилась лесного покрова. Органическая жизнь на земле возродилась спустя 3 млн лет.
Ученые предполагают, что за время катастроф исчезли несколько миллиардов видов жизни.
Вулканические извержения, сход ледников также значительно повлияли на биосферу Земли: привели к дестабилизации, нарушали биологический круговорот. Однако спустя время система приспосабливалась и восстанавливалась.
Эти факты говорят об устойчивости биосферы. Биохимические реакции синтеза и разложения работают без сбоев. Разрушение этих реакций приведет к уничтожению всей биосферы в течение нескольких десятков лет.
Однако в последнее столетие ученые все чаще стали говорить о неустойчивости биосферы. Причина тому — антропогенное воздействие. Рост населения планеты привел к тому, что люди стали потреблять больше ресурсов, чем экосистема способна воспроизвести. Вмешательство человека в законы природы стало столь значительным, что биосфера не успевает восстанавливаться после глобального воздействия на нее.
Настало время, когда человечеству необходимо совместно планировать экономическое развитие, которое должно предусматривать сохранение и восстановление природной среды планеты Земля.
В конце ХХ века учеными введен термин «устойчивое развитие». Под ним понимается процесс взаимодействия всех стран, заключающийся в согласовании вопросов развития научно-технического прогресса и эксплуатации природных ресурсов.
Организация объединенных наций считает, что это многоэтапный процесс, который требует постепенного перехода к устойчивому развитию. В настоящее время предложено отказаться от нерационального использования природных богатств. Но сделать этот шаг в условиях конкуренции, стремления к росту прибыли, а также других жизненных ценностей людей пока не представляется возможным.
Ученые мира работают над решением вопроса рационального использования имеющихся природных ресурсов, занимаются поиском оптимальных путей переработки отходов, утилизации мусора, внедрением новых экологичных технологий. Особая задача — сохранение биологического разнообразия планеты.
Устойчивое развитие невозможно без сокращения конфликтов между людьми, умения договариваться и принятия адекватных совместных решений.
Основным документом по сохранению нашей планеты на сегодня является Хартия Земли. Это международная декларация, в которой изложены основные принципы создания устойчивого общества в ХХI веке.
Влияние биогеохимических круговоротов на стабильность биосферы
Мир природы представляет собой гармоничное целое. Все виды животных и растений имеют общий химический состав: белки, жиры, углеводы, ферменты и др. Реакции, которые происходят в них, идут на основе ассимиляции и диссимиляции. Таким образом, в результате объединения видов системы, биоценоза, образуется единая структура, которая работает четко и слаженно. Это и создает ее стабильность.
Термин биогеохимические циклы предложил академик В.В. Вернадский. Под ним понимается круговорот питательных веществ, в котором участвуют живые и неживые системы.
Биогеохимический круговорот живой материи — это закономерный безостановочный процесс, в результате которого происходит перераспределение вещества, энергии, информации. Он обеспечивает воспроизводство всего живого на планете. Существует три основных типа круговоротов:
Поступление и расход всех элементов сбалансирован. Например, круговорот углерода начинается с фотосинтеза. В результате углерод превращается в глюкозу. Из нее образуются все дальнейшие вещества, необходимые живым организмам. Растения поедаются животными. Углерод перемещается в их тела. Они выдыхают углерод в форме углекислого газа. Таким образом, круг замыкается.
Круговорот воды совершается под воздействием солнечной энергии. Вода, испаряясь из водоемов, вновь поступает на землю в виде дождя. Над сушей количество природных осадков выпадает больше, чем над океаном. Этот дисбаланс компенсируется речными потоками, идущими к океану.
Химические элементы, совершая круговорот, переходят из живых организмов в неживые и обратно. Этот цикл можно назвать бесконечным при условии постоянного притока энергии в виде солнечных лучей.
Например, частые дожди способствовали росту растений. Их выросло большое количество. Они стали пищей животных, приплод которых резко увеличился. Увеличилась потребность в корме. Его стало не хватать, и число популяции резко уменьшилось. Таким образом в природе идет процесс саморегуляции.
То же самое происходит при самоочищении окружающей среды. Органические загрязняющие вещества исчезают благодаря природной минерализации. Микроорганизмы активно чистят среду от загрязнений.
Каждый организм вступает во взаимодействие с окружающей средой. Живые организмы в природе образуют сообщества или виды. Объединение создает преимущества в борьбе за существование. В составе каждого биоценоза есть растения, животные, которые едят это растение, хищники и паразиты, которые поедают животных, а также микроорганизмы. Это объединение регулирует все жизненные процессы. Оно очень устойчиво.
Таким образом, природой выработаны саморегулирующие механизмы, которые обеспечивают стабильность биосферы.
Связь биосферы с другими оболочками Земли
Биосфера тесно связана с геосферами: гидросферой, атмосферой и литосферой.
Литосфера — это твердая оболочка, в ее составе земная кора и часть мантии.
Гидросфера — это вода, снег, льды.
Атмосфера — это воздушная оболочка планеты, в ее составе азот, кислород, двуокись углерода.
Все три оболочки взаимодействуют между собой. Вместе они образуют целостную систему. Вода находится в атмосфере в виде пара и облаков. От рельефа местности зависит скорость движения рек. От ветра зависит рельеф местности.
Взаимодействие с литосферой происходит в земной коре, в ее верхней части. Здесь накапливаются остатки растений, животных. В верхних слоях почвы живут микроорганизмы: бактерии, водоросли. Благодаря им происходят биохимические процессы, в результате которых остатки перерабатываются естественным образом. Растения получают из почвы питание, затем удобряют ее своими остатками.
Взаимодействие с гидросферой очень тесное. Без воды невозможно существование живых организмов. Наглядно это видно на составе воды океанов, степени ее солености, которая поддерживается биосферой, так как соль используют организмы, обитающие в океанах.
Взаимодействие с атмосферой проявляется в процессе фотосинтеза, выделения кислорода. Растения обогащают воздух кислородом, поглощая углекислый газ.
Живые организмы создали на планете оболочку, которая связывает воедино всю систему. Они живут и взаимодействуют в этом пространстве.
Влияние человека на биосферу
В древности влияние человека на природу было минимальным. Его существование органично вписывалось в экосистему. Он получал от природы ресурсы для своего существования: воздух, пищу, воду, энергию, строительные материалы и др. Отходы своей жизнедеятельности возвращал в природу. При этом сохранялся баланс.
Постепенно человек научился влиять на природу, приспосабливая ее под свои нужды. Число отходов значительно выросло. Большая их часть не включается биологический круговорот по причине их токсичности и чужеродности.
Кроме того, человек уничтожает животных и рыб в больших количествах. Строит плотины, меняет русла рек, создает мегаполисы. Количество населения увеличивается независимо от природного регулирования.
Развитие человечества привело к тому, что сила его воздействия на экосистему приводит к нарушению природного баланса. Деятельность человека все больше негативно влияет на естественные биосферные процессы.
Производя в огромных количествах электроэнергию, выплавляя металлы, производя химические удобрения, пестициды, создавая огромное количество техники, человечество способствует увеличению нагрузки на биосферу. Природа не справляется и не успевает восстанавливаться после разрушительной деятельности человека.
Например, увеличившиеся многократно отходы жизнедеятельности человека приводят к загрязнению воды, земли, воздуха. Вырубка лесов, осушение болот, создание искусственных морей создают угрозу для экосистемы. Изменение климата планеты происходит под воздействием человека. Это может привести к уничтожению миллионов биологических видов.
Атмосферу загрязняют выбросы вредных газов от автомобилей, промышленных предприятий. В результате на планете нарушен режим теплоотдачи. Повышение температуры дает «парниковый эффект», т.е. происходит таяние льдов, повышается уровень Мирового океана. Разрушается озоновый слой атмосферы.
Созданные человеком нефтепродукты, ядохимикаты пагубно влияют на среду обитания животного и растительного мира. Загрязнение рек приводит к исчезновению многих видов рыб. Загрязнение морей нефтью стало причиной исчезновения многих видов морских обитателей.
Сегодня человек как разумное существо понимает степень своего губительного воздействия на экосистему планеты. Ученые говорят о надвигающемся экологическом кризисе планеты. Процессы созидания отстают от процессов разрушения. Это ведет человечество к катастрофе.
Потому сегодня ученые всего мира, объединившись, работают над проблемой предотвращения катастрофы. В 1972 году ООН на Стокгольмской конференции в своей декларации провозгласила, что забота об окружающей среде и сохранение живой природы должна стать важнейшей целью человечества.
Какие меры сегодня принимаются? На уровне правительств разрабатываются природоохранные мероприятия:
Знания развивают человека, делают его сильным. Но где найти на все время? Если вы задаете себе этот вопрос, не забывайте, вам поможет сервис ФениксХелп.
Устойчивость биосферы
Понятие устойчивости
Устойчивость — это способность экосистемы непрерывно поддерживать определенный круговорот веществ и сохранять в основных чертах свою структуру, характер связей между элементами и их функционирование в пределах естественного колебания параметров. Устойчивость проявляется важными для экосистемы признаками — самоподдержанием и саморегулированием. Самоподдержание — это процесс, в ходе которого экосистема достаточно долго сохраняет свою устойчивость. Оно проявляется в системах, обладающих высоким уровнем сложности, с большим количеством элементов, связи между которыми устойчиво поддерживают круговорот веществ. Саморегуляция — это свойство экосистемы в процессе функционирования сохранять на определенном уровне свое типичное состояние, режим, характеристики связей между компонентами.
Способность экосистемы к самоподдержанию и саморегулированию, в результате чего сохраняется ее устойчивость и стабильность, называется гомеостазом или динамическим равновесием системы.
Любая естественная экосистема, сложившаяся исторически, сохраняется в относительно постоянном виде достаточно длительное время. В этом проявляется ее устойчивость. При этом устойчивость обладает некоторой степенью толерантности (выносливости), позволяющей экосистеме самосохраняться при небольших изменениях, происходящих в окружающей среде и самой экосистеме. По устойчивости экосистемы делятся на два типа: резистентные, то есть способные сохраняться в устойчивом состоянии под нагрузкой, и упругие, способные быстро восстанавливаться, если по каким-то причинам были нарушены.
Механизмы устойчивости биосферы
Устойчивость — это способность биосферы сохранять в основных чертах свою структуру и характер связей между элементами системы, несмотря на внешние воздействия. Условия, обеспечивающие такое состояние системы, называют механизмом устойчивости. Назовем основные механизмы устойчивости биосферы.
1. Одним из механизмов устойчивости биосферы является неизменное положение Земли в космосе в течение длительного промежутка времени (не менее 4 млрд лет), определяющее постоянство поступления солнечной энергии (солнечная постоянная). Солнечная постоянная определяет, в свою очередь, земные константы живого вещества: массу (около 1013 т), запасенную в химических связях энергию (около 1018 ккал), средний химический состав биогенных элементов (кислорода, водорода, углерода, азота).
2. Наиболее важным для сохранения устойчивости биосферы является цикличность ее функционирования (от греч. kyklos — «кругооборот») — то есть многократное использование биогенных веществ, которое лежит в основе биологического круговорота. Водород, кислород, углерод, азот, фосфор и другие биогенные элементы совершают в экосистеме постоянные и многократные миграции между телами живых организмов и физической средой.
Циклическое использование ограниченных по запасам веществ делает их практически неисчерпаемыми. На этом основана бесконечность жизни экосистемы и ее устойчивое существование, иначе она очень быстро исчезла бы, израсходовав все доступные ресурсы.
Наряду с образованием органических веществ и аккумуляцией энергии в круговороте, то есть постоянным притоком веществ и необходимой энергии, устойчивость экосистемы обеспечивает постоянно идущий отток (выход) из экосистемы преобразованной энергии и избыточных продуктов обмена, разрушение сложных органических соединений и их превращение в простые минеральные вещества (воду, углекислый газ, аммиак, различные соли и пр.). Чтобы биосфера могла существовать, процессы создания и разрушения органических веществ в ней должны постоянно поддерживаться в равновесном состоянии.
Например, известно, что в результате жизнедеятельности организмов большие количества углерода поглощаются из атмосферы и накапливаются в биосфере в форме залежей карбонатных пород (известняков, доломитов), углей и других горючих ископаемых. В то же время большие количества углекислого газа и частично углеводороды снова возвращаются в атмосферу в ходе вулканических и магматических процессов. Поэтому нарушения баланса углерода в биосфере не наблюдается.
4. Многочисленные исследования по выявлению закономерностей существования экосистемы показали, что в поддержании устойчивости системы особенно большое значение имеют избыточность информации и обратная связь (петля управления). Избыточность информации в биосфере как глобальной экосистеме свидетельствует о некотором сдвиге в сторону или созидания, или разрушения ее показателей. То и другое нарушает устойчивость экосистемы. С помощью обратной связи система осуществляет управление многими процессами, происходящими в ней.
5. В биологическом круговороте между живой и неживой частями экосистемы осуществляется направленный поток энергии и химических веществ (миграция атомов). Этот процесс совершается не в самой биосфере, а в ее конкретных компонентах — биогеоценозах. Все биогеоценозы, имеющиеся в биосфере, связаны постоянным обменом веществ между собой и с окружающей средой. Взаимодействие между биогеоценозами как структурными компонентами биосферы способствует поддержанию ее устойчивости. Оно осуществляется за счет перемещения и многообразного функционирования живого, а также слияния геохимических круговоротов отдельных биогеоценозов, в результате чего сохраняется один общий биологический круговорот веществ и поток энергии.
6. Как условие сохранения устойчивости экосистемы большое значение имеет ее сложность. Чем более сложной является ее структура и чем выше степень упорядоченности, тем более устойчивой она оказывается. Устойчивость глобальной экосистемы находится в прямой зависимости от того, насколько велико количество компонентов, способных поддержать ее функционирование. Поэтому от многообразия природных комплексов живых организмов (биогеоценозов), распространившихся по всей поверхности Земли («растекание» жизни), зависит устойчивость биосферы.
Функциональное разнообразие компонентов экосистемы, то есть ее сложность, обеспечивает ее устойчивость и стабильность.
Для устойчивого существования биосферы необходимы сбалансированные отношения между различными биогеоценозами, обеспечивающими разнообразное потребление и возврат минеральных ресурсов в абиотическую среду. В случае выпадения из системы каких-либо природных сообществ или замены их качественно иными (например, в наше время — агроценозами), динамическое равновесие в биосфере может нарушиться.
Устойчивое состояние экосистемы «биосфера» обеспечивается колоссальным разнообразием природных экосистем, биологических видов и других структурных форм живого вещества.
7. Антропогенное воздействие также влияет на устойчивость биосферы. По вине человека многие биогеоценозы и водные экосистемы сейчас теряют устойчивость, так как его длительность приобрела разрушающий, деградирующий природу характер. Следует надеяться, что, опираясь на свой разум, знание законов природы, человек сможет поддержать устойчивость биосферы как глобальной экосистемы.
Охрана окружающей среды и обеспечение экологической безопасности на предприятии
ПРЕДЕЛЫ УСТОЙЧИВОСТИ ЭКОСИСТЕМ И БИОСФЕРЫ
Биосфера как глобальная экосистема
Совокупность всех экосистем, имеющихся в пределах трех геосфер (атмосферы, гидросферы и литосферы) и с которыми находятся во взаимодействии живые организмы, образует самую крупную экосистему Земли – биосферу. Изучение биосферы, в которой все живые организмы тесно связаны между собой и со своим окружением, состоящим из элементов неживой природы (воды, воздуха, почвы, света, температуры и др.) – задача сложнейшего раздела экологии – глобальной экологии.
Концентрация и активность жизни особенно велика у поверхности нашей Земли. Водоемы заселены по всей толще со сгущениями у поверхности и у дна. Выделяются своим богатством прибрежные и мелководные участки. На суше более 99 % живого вещества или биомассы сосредоточено в слое на несколько метров вглубь и на несколько десятков метров (высокие деревья) вверх от поверхности. Следовательно, жизнь сосредоточена в тончайшей пленке планеты, где и протекают главные процессы взаимодействия живой и неживой (косной) природы. Этот тонкий деятельный слой нередко называют биогеосферой, биогеоценотическим покровом, ландшафтной оболочкой. Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В.И. Вернадский назвал «пленками жизни».
Отсюда можно сделать принципиальной важности вывод: выносливость Жизни в целом к отдельным факторам среды намного шире диапазонов тех условий, которые существуют в границах современной биосферы. Следовательно, Жизнь обладает значительным «запасом прочности», устойчивости к воздействию внешней среды, а значит и потенциальной способностью к еще большему распространению.
Понятие о лимитирующем экологическом факторе
Смысл закона толерантности очевиден: все хорошо в меру. При этом уточним, что лимитирующими факторами являются все факторы, уровень которых приближается к пределам выносливости организма или превышает их.
Таким образом, для организмов характерны экологический минимум и экологический максимум, они реагируют сходным образом на оба пессимальных значения фактора. Их выносливость к воздействиям в диапазоне между этими двумя величинами называют пределом толерантности вида.
Учение о лимитирующих факторах облегчает изучение сложных ситуаций во взаимоотношениях организмов и среды их обитания. При этом следует понимать, что не все факторы среды имеют одинаковое экологическое значение. Так, молекулярный кислород, являясь фактором физиологической необходимости для всех животных, с экологической точки зрения становится лимитирующим лишь в определенных местообитаниях. Если в водоеме гибнет рыба (особенно в жаркое время), то в первую очередь должна быть измерена концентрация кислорода в воде: она резко падает с возрастанием температуры. В случае же гибели птиц следует искать другую причину, так как содержание кислорода в воздухе относительно постоянно и достаточно с точки зрения требований наземных организмов. В экологическом прогнозировании, планировании и экспертизе проектов очень важно выявление наиболее слабого звена. Оно позволяет производить замену дефицитных веществ и воздействий на менее дефицитные, что важно, например, в процессе эксплуатации природных ресурсов, а также в сельском хозяйстве.
Приспособление организмов к неблагоприятным
условиям среды
В процессе эволюции организмы смогли выработать ряд путей нейтрализации последних.
Активный путь – развитие сопротивляемости, т.е. регуляторных процессов, которые позволяют осуществить все функции организма, несмотря на неблагоприятные факторы. Так, теплокровные животные – птицы и млекопитающие, обитая в условиях изменчивой температуры, поддерживают внутри себя постоянную температуру, оптимальную для биохимических процессов в клетках тела. Конечно, такое активное сопротивление влиянию внешней среды требует больших затрат энергии, которую им надо постоянно восполнять. Верблюд способен обеспечивать потребности во влаге посредством биохимического окисления собственного жира. Это примеры т.н. физиологических адаптаций.
Примерами поведенческих адаптаций могут служить создание убежищ, передвижение с целью выбора оптимальных температурных условий, особенно в условиях экстремальных (очень высоких или очень низких) температур. Приспособительное поведение может проявляться у хищников в процессе выслеживания и преследования добычи, а у жертв – в определенных ответных реакциях (например, затаивание). Обычный для животных способ приспособления к неблагоприятным периодам – миграция. Так, сайгаки ежегодно уходят на зиму в малоснежные южные полупустыни, где зимние травы в связи с сухостью климата более питательны и доступны. Однако летом травостои полупустынь быстро выгорают, поэтому на период размножения сайгаки переходят в более влажные северные степи.
Активное сопротивление влиянию неблагоприятной среды способствует развитию морфологической адаптации отдельных видов, т.е. приобретению таких особенностей внешнего строения, которые обеспечивают выживание в экстремальных и успешную жизнедеятельность организмов в привычных для них условиях. Так, растения, обитающие в пустыне, лишены листьев, и их строение наилучшим образом приспособлено к минимальным потерям влаги. Можно также вспомнить о наличии у китообразных приспособлений к скоростному плаванию или об особой структуре кожи у акул для той же цели.
Морфологический тип приспособления животного или растения, при котором они имеют внешнюю форму, отражающую способ взаимодействия со средой обитания, называют жизненной формой вида. При этом разные виды могут иметь сходную жизненную форму, если ведут близкий образ жизни. Примерами здесь могут быть кит (млекопитающее), пингвин (птица) и акула (рыба).
Пассивный путь связан с подчинением жизненных функций организма изменению факторов среды. Так, при недостатке тепла это приводит к понижению уровня метаболизма (обмена веществ), что способствует экономному использованию энергетических запасов. При резком ухудшении условий среды организмы разных видов могут практически приостанавливать свою жизнедеятельность и переходить в состояние т.н. скрытой жизни. Например, некоторые мелкие организмы способны высыхать на воздухе, а затем возвращаться к активной жизни после пребывания в воде. Переход в состояние глубокого анабиоза, при котором резко замедляется обмен веществ, расширяет возможности выживания организмов в самых экстремальных условиях. Так, высушенные семена и споры растений, а также некоторые мелкие животные (коловратки, нематоды) способны выдержать температуры ниже –200 о С. Некоторые бактерии, в т.ч. и болезнетворные, многие годы могут находиться в неактивном состоянии, пока не возникнут благоприятные условия для их «пробуждения» и последующего размножения. Явление, при котором имеет место временный физиологический покой в индивидуальном развитии некоторых животных и растений, обусловленный неблагоприятными факторами внешней среды, называется диапаузой.
Взаимодействие экологических факторов
Все экологические факторы среды обитания действуют на организмы совместно. При этом оптимальная зона и пределы выносливости последних по отношению к какому-либо фактору могут смещаться в зависимости от того, с какой силой и в каком сочетании действуют одновременно другие факторы. Эта закономерность носит название взаимодействия факторов. Так, например, в мороз животные могут погибнуть при отсутствии пищи, но относительно нормально себя чувствовать при ее достатке. Жару легче переносить в сухом, а не во влажном воздухе. Таким образом, один и тот же фактор в сочетании с другими оказывает неодинаковое воздействие. При этом один и тот же экологический результат может быть получен разными путями. Например, увядание растений можно приостановить либо путем увеличения влаги в почве (полив), либо снижением температуры воздуха, уменьшающей скорость испарения. Таким образом создается эффект частичного взаимозамещения факторов или эффект компенсации. Благодаря последнему в Заполярье удается получать урожаи капусты, которые не уступают урожаям средней полосы России: недостаток тепла восполняется здесь избытком световой энергии при долгом летнем полярном дне. Однако взаимная компенсация действия факторов среды имеет определенные пределы и полностью заменить один из них другим нельзя. Например, исключение воды из рациона питания растения делает его жизнь невозможной, несмотря на благоприятные сочетания других условий.
Значение отдельных экологических факторов в комплексном действии среды неравноценно. Поэтому выделяют ведущие (главные) экологические факторы и второстепенные (сопутствующие). В качестве ведущих выступают те факторы, которые необходимы для жизнедеятельности организма. Для разных видов требуются обычно различные ведущие факторы, даже если организмы живут в одном месте. В то же время следует отметить, что в разные периоды развития организма имеет место смена ведущих факторов, что особенно характерно для растений. Так, для эфемероидов (например, осоки) в период цветения ведущим фактором является свет, а в период формирования семян – достаток во влаге и минеральных веществах.
В сельскохозяйственной практике при учете закономерностей взаимодействия экологических факторов можно поддерживать оптимальные условия для выращивания культурных растений и домашних животных.
Огромную роль играет взаимодействие биотических и абиотических факторов, поскольку конечное состояние любого организма или системы организмов это всегда результат их многочисленных взаимодействий.
В заключение рассмотрим правомочность подразделения экологических факторов на «вредные» и «полезные». Все зависит от того, в каких дозах берется тот или иной фактор, в каких сочетаниях. Так, если он взят в «чистом» виде, то переход от благоприятного действия к вредному происходит очень быстро, при сравнительно небольших дозах. Но если тот же фактор берется в сочетании с другими одновременно действующими факторами, то отрицательное действие проявляется гораздо позже, при очень больших количествах. Например, химически чистая поваренная соль ядовита уже при небольших дозах, но в смеси с другими солями она может быть безвредной. Отметим также, что если разнородные факторы имеют общую направленность и общий фокус действия, они могут и взаимно усиливать отрицательные воздействия на организм. Так, при повреждении дерева каким-либо вредителем, если оно ранее было отравлено ядохимикатом, то указанные факторы (биотический и антропический) не ослабляют, а, напротив, усиливают взаимно вредное влияние.
Биосфера как глобальная экосистема
Совокупность всех экосистем, имеющихся в пределах трех геосфер (атмосферы, гидросферы и литосферы) и с которыми находятся во взаимодействии живые организмы, образует самую крупную экосистему Земли – биосферу. Изучение биосферы, в которой все живые организмы тесно связаны между собой и со своим окружением, состоящим из элементов неживой природы (воды, воздуха, почвы, света, температуры и др.) – задача сложнейшего раздела экологии – глобальной экологии.
Концентрация и активность жизни особенно велика у поверхности нашей Земли. Водоемы заселены по всей толще со сгущениями у поверхности и у дна. Выделяются своим богатством прибрежные и мелководные участки. На суше более 99 % живого вещества или биомассы сосредоточено в слое на несколько метров вглубь и на несколько десятков метров (высокие деревья) вверх от поверхности. Следовательно, жизнь сосредоточена в тончайшей пленке планеты, где и протекают главные процессы взаимодействия живой и неживой (косной) природы. Этот тонкий деятельный слой нередко называют биогеосферой, биогеоценотическим покровом, ландшафтной оболочкой. Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В.И. Вернадский назвал «пленками жизни».
Отсюда можно сделать принципиальной важности вывод: выносливость Жизни в целом к отдельным факторам среды намного шире диапазонов тех условий, которые существуют в границах современной биосферы. Следовательно, Жизнь обладает значительным «запасом прочности», устойчивости к воздействию внешней среды, а значит и потенциальной способностью к еще большему распространению.
Понятие о лимитирующем экологическом факторе
Существование и выносливость организма часто оказываются чувствительными к двум или большему числу факторов окружающей среды. В таких случаях решающее значение будет принадлежать такому фактору или ресурсу, который имеется в минимальном с точки зрения потребностей организма количестве. Эта идея легла в основу т.н. закона минимума, сформулированного немецким химиком Ю. Либихом: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Так величина урожая определяется количеством в почве того из элементов питания, потребность растения в котором удовлетворена меньше всего. Урожай будет возрастать пропорционально вносимым дозам до тех пор, пока не окажется в минимуме другое вещество.
Из практики известно, что сам факт существования организма может определяться не минимальным значением, а наоборот, избытком любого из факторов. Впервые мысль об этом высказал американский ученый В. Шелфорд; она легла в основу закона толерантности: лимитирующим фактором процветания организма (вида) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толерантности) организма к данному фактору.
Смысл закона толерантности очевиден: все хорошо в меру. При этом уточним, что лимитирующими факторами являются все факторы, уровень которых приближается к пределам выносливости организма или превышает их.
Таким образом, для организмов характерны экологический минимум и экологический максимум, они реагируют сходным образом на оба пессимальных значения фактора. Их выносливость к воздействиям в диапазоне между этими двумя величинами называют пределом толерантности вида.
Учение о лимитирующих факторах облегчает изучение сложных ситуаций во взаимоотношениях организмов и среды их обитания. При этом следует понимать, что не все факторы среды имеют одинаковое экологическое значение. Так, молекулярный кислород, являясь фактором физиологической необходимости для всех животных, с экологической точки зрения становится лимитирующим лишь в определенных местообитаниях. Если в водоеме гибнет рыба (особенно в жаркое время), то в первую очередь должна быть измерена концентрация кислорода в воде: она резко падает с возрастанием температуры. В случае же гибели птиц следует искать другую причину, так как содержание кислорода в воздухе относительно постоянно и достаточно с точки зрения требований наземных организмов. В экологическом прогнозировании, планировании и экспертизе проектов очень важно выявление наиболее слабого звена. Оно позволяет производить замену дефицитных веществ и воздействий на менее дефицитные, что важно, например, в процессе эксплуатации природных ресурсов, а также в сельском хозяйстве.
Приспособление организмов к неблагоприятным
условиям среды
В процессе эволюции организмы смогли выработать ряд путей нейтрализации последних.
Активный путь – развитие сопротивляемости, т.е. регуляторных процессов, которые позволяют осуществить все функции организма, несмотря на неблагоприятные факторы. Так, теплокровные животные – птицы и млекопитающие, обитая в условиях изменчивой температуры, поддерживают внутри себя постоянную температуру, оптимальную для биохимических процессов в клетках тела. Конечно, такое активное сопротивление влиянию внешней среды требует больших затрат энергии, которую им надо постоянно восполнять. Верблюд способен обеспечивать потребности во влаге посредством биохимического окисления собственного жира. Это примеры т.н. физиологических адаптаций.
Примерами поведенческих адаптаций могут служить создание убежищ, передвижение с целью выбора оптимальных температурных условий, особенно в условиях экстремальных (очень высоких или очень низких) температур. Приспособительное поведение может проявляться у хищников в процессе выслеживания и преследования добычи, а у жертв – в определенных ответных реакциях (например, затаивание). Обычный для животных способ приспособления к неблагоприятным периодам – миграция. Так, сайгаки ежегодно уходят на зиму в малоснежные южные полупустыни, где зимние травы в связи с сухостью климата более питательны и доступны. Однако летом травостои полупустынь быстро выгорают, поэтому на период размножения сайгаки переходят в более влажные северные степи.
Активное сопротивление влиянию неблагоприятной среды способствует развитию морфологической адаптации отдельных видов, т.е. приобретению таких особенностей внешнего строения, которые обеспечивают выживание в экстремальных и успешную жизнедеятельность организмов в привычных для них условиях. Так, растения, обитающие в пустыне, лишены листьев, и их строение наилучшим образом приспособлено к минимальным потерям влаги. Можно также вспомнить о наличии у китообразных приспособлений к скоростному плаванию или об особой структуре кожи у акул для той же цели.
Морфологический тип приспособления животного или растения, при котором они имеют внешнюю форму, отражающую способ взаимодействия со средой обитания, называют жизненной формой вида. При этом разные виды могут иметь сходную жизненную форму, если ведут близкий образ жизни. Примерами здесь могут быть кит (млекопитающее), пингвин (птица) и акула (рыба).
Пассивный путь связан с подчинением жизненных функций организма изменению факторов среды. Так, при недостатке тепла это приводит к понижению уровня метаболизма (обмена веществ), что способствует экономному использованию энергетических запасов. При резком ухудшении условий среды организмы разных видов могут практически приостанавливать свою жизнедеятельность и переходить в состояние т.н. скрытой жизни. Например, некоторые мелкие организмы способны высыхать на воздухе, а затем возвращаться к активной жизни после пребывания в воде. Переход в состояние глубокого анабиоза, при котором резко замедляется обмен веществ, расширяет возможности выживания организмов в самых экстремальных условиях. Так, высушенные семена и споры растений, а также некоторые мелкие животные (коловратки, нематоды) способны выдержать температуры ниже –200 о С. Некоторые бактерии, в т.ч. и болезнетворные, многие годы могут находиться в неактивном состоянии, пока не возникнут благоприятные условия для их «пробуждения» и последующего размножения. Явление, при котором имеет место временный физиологический покой в индивидуальном развитии некоторых животных и растений, обусловленный неблагоприятными факторами внешней среды, называется диапаузой.
Взаимодействие экологических факторов
Все экологические факторы среды обитания действуют на организмы совместно. При этом оптимальная зона и пределы выносливости последних по отношению к какому-либо фактору могут смещаться в зависимости от того, с какой силой и в каком сочетании действуют одновременно другие факторы. Эта закономерность носит название взаимодействия факторов. Так, например, в мороз животные могут погибнуть при отсутствии пищи, но относительно нормально себя чувствовать при ее достатке. Жару легче переносить в сухом, а не во влажном воздухе. Таким образом, один и тот же фактор в сочетании с другими оказывает неодинаковое воздействие. При этом один и тот же экологический результат может быть получен разными путями. Например, увядание растений можно приостановить либо путем увеличения влаги в почве (полив), либо снижением температуры воздуха, уменьшающей скорость испарения. Таким образом создается эффект частичного взаимозамещения факторов или эффект компенсации. Благодаря последнему в Заполярье удается получать урожаи капусты, которые не уступают урожаям средней полосы России: недостаток тепла восполняется здесь избытком световой энергии при долгом летнем полярном дне. Однако взаимная компенсация действия факторов среды имеет определенные пределы и полностью заменить один из них другим нельзя. Например, исключение воды из рациона питания растения делает его жизнь невозможной, несмотря на благоприятные сочетания других условий.
Значение отдельных экологических факторов в комплексном действии среды неравноценно. Поэтому выделяют ведущие (главные) экологические факторы и второстепенные (сопутствующие). В качестве ведущих выступают те факторы, которые необходимы для жизнедеятельности организма. Для разных видов требуются обычно различные ведущие факторы, даже если организмы живут в одном месте. В то же время следует отметить, что в разные периоды развития организма имеет место смена ведущих факторов, что особенно характерно для растений. Так, для эфемероидов (например, осоки) в период цветения ведущим фактором является свет, а в период формирования семян – достаток во влаге и минеральных веществах.
В сельскохозяйственной практике при учете закономерностей взаимодействия экологических факторов можно поддерживать оптимальные условия для выращивания культурных растений и домашних животных.
Огромную роль играет взаимодействие биотических и абиотических факторов, поскольку конечное состояние любого организма или системы организмов это всегда результат их многочисленных взаимодействий.
В заключение рассмотрим правомочность подразделения экологических факторов на «вредные» и «полезные». Все зависит от того, в каких дозах берется тот или иной фактор, в каких сочетаниях. Так, если он взят в «чистом» виде, то переход от благоприятного действия к вредному происходит очень быстро, при сравнительно небольших дозах. Но если тот же фактор берется в сочетании с другими одновременно действующими факторами, то отрицательное действие проявляется гораздо позже, при очень больших количествах. Например, химически чистая поваренная соль ядовита уже при небольших дозах, но в смеси с другими солями она может быть безвредной. Отметим также, что если разнородные факторы имеют общую направленность и общий фокус действия, они могут и взаимно усиливать отрицательные воздействия на организм. Так, при повреждении дерева каким-либо вредителем, если оно ранее было отравлено ядохимикатом, то указанные факторы (биотический и антропический) не ослабляют, а, напротив, усиливают взаимно вредное влияние.