Что служит основой устойчивости экосистем

Причины устойчивости и смены экосистем

Содержание:

Одни биогеоценозы более стабильные, по сравнению с другими. Устойчивость естественных экосистем достигается с помощью видового разнообразия флоры и фауны, способности к саморегуляции численности особей в популяциях. Характерна высокая первичная продуктивность, практически отсутствуют неиспользованные органические остатки. Примеры стабильных экосистем: дубрава, влажный тропический лес, ельник, озеро (таблица 1).

Видовое разнообразие дубравы

Группы организмов по типу питания

Примеры растений, животных, микроорганизмов

Продуценты — растения

Верхний ярус — высокие деревья.

Дуб, ясень, клен, липа, дикая груша.

Средний ярус — кустарники.

Лещина, калина, бересклет, бузина, крушина.

Нижний ярус — травы.

Валериана, купена, медуница, чистотел.

Консументы — животные

Грызуны, зайцы, дикие кабаны, косули, зерноядные птицы.

Хищные птицы, ласка, куница, волк, лиса.

Редуценты

Факторы устойчивости дубравы:

Причина смены биогеоценозов — достижение стабильного состояния. Развитие продолжается до тех пор, пока не сформируется уравновешенное природное сообщество, которое способно поддерживать баланс веществ и энергии в экосистеме.

Смена экосистем сопровождается:

Неустойчивые экосистемы изменяются быстрее. Происходит смена растительного покрова, популяций животных. Постепенно, одни экосистемы превращаются в другие. На месте озера появляется болото, на заброшенной плантации шалфея восстанавливается степная растительность.

Существует две основные причины неустойчивости биогеоценозов:

Даже биогеоценозы с малым видовым разнообразием (тундра, полупустыня, пустыня) более устойчивы, по сравнению с искусственными экосистемами. Неустойчивость последних — следствие наличия монокультуры, простоты пищевых цепей, невозможности саморегуляции.

Тундры и пустыни без сильной антропогенной нагрузки, в условиях отсутствия значительных климатических изменений, способны существовать длительно. В этих и других устойчивых экосистемах все, что производят растения, используется гетеротрофными организмами.

Человек, изымая значительную часть органики в искусственно созданных экосистемах, прерывает естественные потоки веществ и энергии. Энергия частично возвращается с удобрениями, но этого недостаточно. Агроэкосистемы быстро деградируют без вмешательства человека (обработки почвы, внесения удобрений, борьбы с болезнями и вредителями).

Источник

Задания части 2 ЕГЭ по теме «Экосистема»

1. Что служит основой устойчивости экосистем? Укажите не менее трех причин их устойчивости.

1) Постоянный приток энергии извне (поток энергии) поддерживает круговорот веществ.
2) Прямые и обратные связи, например, хищники контролируют количество организмов-жертв, количество жертв влияет на численность хищников.
3) Большое видовое разнообразие (биоразнообразие) экосистемы позволяет при уменьшении численности одного вида заменить его другим в пищевой цепи.

2. В результате вулканической деятельности в океане образовался остров. Опишите последовательность формирования экосистемы на недавно образовавшемся участке суши.

На камнях поселяются водоросли, бактерии и лишайники. Они обеспечивают формирование почвы. На почве поселяются растения, семена которых заносит ветром или водой. После этого на острове расселяются небольшие животные, попавшие сюда по воздуху или по воде.

3. Каковы причины смены биогеоценозов?

1) Внешняя причина: пожар, наводнение и т.п.
2) В экосистеме создаются хорошие условия для заселения другими видами (например, зарастание березняка елью).
3) В экосистеме накапливаются продукты выделений, происходит самоотравление.

4. Чем характеризуется биологическое разнообразие, и какова его роль в природе?

Биологическое разнообразие характеризуется количеством видов. Роль биологического разнообразия – придание устойчивости экосистемам (чем выше биоразнообразие – тем больше цепей питания, тем более сложные пищевые сети, тем экосистемы более устойчивы).

5. Вырытый в ходе изъятия грунта котлован заполнили водой и запустили туда карпов для воспроизводства. Можно ли при этом считать этот водоём биоценозом, а группу карпов популяцией? Ответ обоснуйте.

1. Биоценоз — это исторически сложившаяся совокупность животных, растений, грибов и микроорганизмов, населяющих относительно однородное жизненное пространство, и связанных между собой окружающей их средой. Водоем с карпами возник совсем недавно, поэтому его нельзя назвать биоценозом.
2. Популяция — это совокупность организмов одного вида, длительное время обитающих на одной территории и частично или полностью изолированных от особей других таких же групп. Карпов нельзя назвать длительно обитающими на этой территории, поэтому их нельзя назвать популяцией.

6. Что такое сукцессия? Укажите не менее трех признаков первичной сукцессии.

1) сукцессия – последовательная закономерная и необратимая смена одного биоценоза другим на определенном участке;
2) развитие экосистемы на ранее незаселенных участках;
3) происходит длительное время;
4) начинается со мхов и лишайников.

7. При каких условиях большой котлован, залитый водой, может стать экосистемой? Приведите три условия.

1) водоем должны заселить разнообразные виды организмов разных функциональных групп (продуценты, консументы, редуценты);
2) между организмами должны возникнуть биотические связи, образоваться цепи питания;
3) должен сформироваться относительно сбалансированный круговорот веществ, что обеспечит длительность существования экосистемы

8. Экосистемы влажного экваториального леса и пустыни Сахара получают сходное количество солнечной энергии за год. Как абиотические условия существования данных экосистем связаны с их продуктивностью? Чем обусловлена большая устойчивость экосистемы тропического леса к внешним воздействиям? Ответ поясните.

1) экваториальный лес получает большое количество влаги, что позволяет растениям активно фотосинтезировать;
2) из-за этого продуктивность экосистемы данного леса намного выше;
3) более высокая продуктивность экосистемы позволяет ей иметь более длинные и более разветвленные пищевые цепи, что обуславливает её устойчивость

Источник

Устойчивость экосистем

Устойчивость биогеоценоза или экосистемы — это способность непрерывно поддерживать свою структуру, характер связей между элементами и их функционирование в пределах естественного колебания параметров. Многие положения об условиях поддержания устойчивости экосистемы характерны и для биосферы. В обоих случаях действуют схожие механизмы, так как экосистемы являются основными частями биосферы. Однако экосистемы являются биосистемами другого уровня, на поддержание их устойчивости влияют и другие условия.

Рассмотрим условия, влияющие на устойчивость экосистем.

1. Богатство видового состава. Биогеоценозы, как правило, состоят из многих видов. Богатство видов и их функциональное разнообразие имеют большое значение для поддержания устойчивости биогеоценоза, так как от этого зависит непрерывность круговорота веществ и потока энергии в нем.

Напомним, что чем специфичнее условия среды, тем беднее видовой состав биогеоценоза и тем выше численность населяющих его видов.

Бедные сообщества неустойчивы. Имеющиеся в них виды не образуют единого круговорота веществ, поддерживающего устойчивость экосистемы, так как нередко здесь отсутствуют или трофические связи между видами и наблюдается выпадение некоторых звеньев его структуры, или отсутствуют виды, в случае надобности способные функционально заменить, дополнить какой-о вид, утраченный экосистемой.

Многоярусные биогеоценозы, состоящие из большого количества популяций многих видов растений, животных, грибов и бактерий, связанных между собой разнообразными пищевыми и пространственными отношениями, называют сложными. Они наиболее устойчивы к неблагоприятным воздействиям. Исчезновение отдельных элементов, например уничтожение какого-то вида, мало отразится на судьбе этого биогеоценоза, поскольку в данном случае произойдет лишь незначительная перестройка его структуры и организации. В экосистемах тропических лесов, являющихся исключительно сложными, никогда не наблюдаются вспышки массового размножения отдельных видов.

Дело в том, что среди большого разнообразия видов в богатом биогеоценозе всегда имеются популяции с похожими (перекрывающими) свойствами, обладающие сходными функциями в использовании источников и форм энергии для синтеза продукции. Присутствие таких видов имеет большое значение для устойчивости сообщества. В условиях, когда возникает избыточность ресурса, сходные по функциям виды, дополняя друг друга, могут быстрее освоить его, тем самым обеспечить устойчивость сложившейся конкретной экосистемы. В таком случае дополнительные участники переработки ресурса выступают как обратная связь в системе, где по прямой связи какого-то ресурса воспроизводилось больше нормы.

В то же время при выпадении какого-либо вида нарушившееся динамическое равновесие в биогеоценозе выравнивается до устойчивого состояния другим видом со сходными свойствами. Таким путем, благодаря большому разнообразию видов, осуществляется самоподдержание биогеоценоза, саморегулирование его устойчивости.

Чем разнообразнее видовой состав экосистемы, тем больше у него возможностей сохранить устойчивость с помощью тех или иных форм перекрывающих связей.

Перекрывающие формы популяций разных видов, подобно обратной связи, обеспечивают устойчивость экосистемы при избытке ресурса и в случае неожиданного сокращения функционально сходных популяций.

С увеличением разнообразия видов растений в биогеоценозе возрастает количество экологических ниш и усложняется его общая структура, усиливается взаимодействие прямых и обратных связей. Такая экосистема оказывается устойчивой.

Биологическое разнообразие в экосистеме — важное условие ее устойчивости.

2. Жизненное пространство вида. Среднюю площадь (или объем) в пространстве экосистемы, приходящуюся на одну особь популяции рассматриваемого вида, называют его жизненным пространством. Оно имеет существенное значение для поддержания устойчивости экосистемы, так как в ее пределах организмы получают все необходимые средства к жизни: пищу, укрытие, возможность размножения. Каждый биогеоценоз населяет много популяций различных видов, а каждая территория может прокормить и укрыть лишь определенное количество особей. Ясно, что при таких обстоятельствах нормальное существование любой популяции будет зависеть от ее жизненного пространства в биогеоценозе, от размещения в нем всего многообразия живого населения.

Например, растения, благодаря разнообразию жизненных форм (деревья, кустарники или травы), занимают в пространстве тот или иной ярус в надземной и подземной частях сообщества. При этом все особи растительных видов размещаются на определенном расстоянии друг от друга, которое определяется не только возможностями экотопа, но и потребностями растения. Так, растения своими корнями занимают пространство в почве поглощения воды и минеральных солей, а кроной затеняют это пространство. Таким путем растения распространяют свое влияние на определенную территорию. Поэтому оптимальным для популяции какого-либо вида растений оказывается такое расстояние между соседними особями, при котором они не смогут отрицательно влиять друг на друга. При этом не наблюдается и недоиспользование пространства.

По такому же принципу осуществляется размещение животных и всего населения биогеоценозов.

В каждом конкретном случае тип размещения особей популяции любого вида в занимаемом пространстве оказывается приспособительным, то есть позволяющим оптимально использовать имеющиеся ресурсы. Нарушение типа размещения видов в сообществе приводит к потере устойчивости биогеоценоза.

3. Средообразующие свойства видов также имеют большое значение в сохранении устойчивости экосистемы. Все многообразие видов в процессе своей жизнедеятельности оказывает значительное влияние на условия среды своего обитания — биотоп биогеоценоза.

Например, растения в процессе фотосинтеза не только образуют первичную продукцию, необходимую консументам и редуцентам, но и изменяют химический состав почвы и воздуха, благодаря регулярным листопадам и поглощению минеральных веществ из внешней среды; создают затенение; изменяют температурные условия и режим влажности почвы и воздуха; обеспечивают животных пищей; дают им укрытие от ветра, сухости воздуха и т. д. Животные, питаясь растительной массой, обогащают почву продуктами выделения, способствуют опылению и расселению растений, регулируют численность видов, которыми питаются. Паразитирующие виды, ослабляя силы «хозяина», а также осуществляя перенос болезнетворных организмов, тоже участвуют в регулировании численности видов в сообществе. Скопление растительной биомассы в почве, остатков пищи в местах кормления растительноядных видов обеспечивает существование большого числа различных видов-редуцентов. Они перерабатывают эту биомассу и по принципу обратной связи возвращают ее в биотоп в виде неорганических веществ, чем поддерживают биологический круговорот веществ в экосистеме.

Существенные количественные изменения среды, происходящие по причине изменения численности каких-то видов, выпадения типичного вида из сообщества или вселения в него нового вида, играющего особую средообразующую роль, приводит к потере устойчивости этой экосистемы и даже ее замене качественно иным биогеоценозом.

4. Антропогенное воздействие также влияет на устойчивость экосистем, поскольку часто служит причиной изменений и нарушений биогеоценозов и их биотопов.

Любой биогеоценоз существует в определенных условиях географической среды. Исторически сложившийся состав различных видов сообщества, его структура, сложность трофических сетей и пространственных отношений отражают его приспособленность к наиболее значимым, важнейшим особенностям географической среды и направлены на его устойчивое существование в этих условиях в течение длительного времени. Такая особенность проявления жизни на уровне биогеоценотических система сложилась в процессе геологического и биологического развития нашей планеты. Однако в настоящее время, благодаря огромной по силе воздействия природопользовательской деятельности человека и человечества в целом, многие экосистемы теряют устойчивость, деградируют, что отражается на устойчивости биосферы. Такое положение вызвано вмешательством человека в сложившийся видовой состав биогеоценоза (вселение в него новых видов из других регионов и экосистем иного типа или одичавших домашних животных, выборочное уничтожение отдельных видов), а также разрушение биотопов, свойственных биогеоценозам.

Потеря устойчивости экосистем из-за сокращения в них биологического разнообразия мест обитания живых организмов, наблюдаемая повсеместно, вызывает серьезную озабоченность всего прогрессивного человечества.

Источник

Понятие устойчивости экосистем. Принцип Эшби, принцип Ле-Шателье. Почему агроценозы не устойчивы?

Под устойчивостью экосистемы понимается её способность выдерживать изменения экологических факторов при сохранении её нормального функционирования. Рассматривают устойчивость экосистем на двух уровнях:

1. Видовой (на уровне организмов);

2. Системный (на уровне экосистемы):устойчивость экосистем проявляется в общем случае как их способность сохранять структуру и нормальное функционирование при изменениях экологических факторов. Адаптации организмов к изменениям факторов среды обитания обеспечивают в определенной степени устойчивость (к изменению экологических факторов среды) экосистем, в состав которых они входят. Однако экосистема по сравнению с отдельными видами организмов имеет более высокую степень надёжности 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 в экосистеме. Такие эволюционно выработанные механизмы приспособления экосистем к изменениям среды обитания называются адаптациями экосистем.

Существование биогеохимических круговоротов создает возможность для само регуляции 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 четыре 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.

1. известно, что после лесного пожара сначала появляются лиственные породы леса, а затем через 70-100 лет их сменяют хвойные;

Таким образом, увеличение биоразнообразия является основой того, что экосистемы с более длинными цепями питания формируют более интенсивный круговорот веществ и, следовательно, обладают повышенной устойчивостью благодаря более развитым возможностям само регуляции (гомеостаза).

Ключевой для понимания гомеостаза экосистем термин «подвижно-стабильное равновесие» означает, что устойчивое функционирование экосистем в изменяющихся условиях среды возможно именно следствие того, что экосистема находится в квазиравновесном состоянии, принципиально отличающемся от понимания состояния равновесия в физике. Составными частями этого термина являются:

1. Стабильность означает, что природные экосистемы существуют в течение длительного времени и обладают определенной стабильностью во времени и пространстве. Особенностью искусственных экосистем (техногенных и агроэкосистем, созданных человеком) является то, что человек сам должен поддерживать равновесие в этих экосистемах, т.е. управлять процессами их функционирования.

2. Подвижность означает изменчивость свойств (например, численности популяций) и структуры экосистемы, т.е. совокупности видов. Последовательные изменения в состоянии равновесия природных экосистемах отражаются в смене видов (например, в процессе сукцессии), сопровождающейся и изменениями в структуре и свойствах трофических цепей (сетей).

Устойчивость естественных экосистем

Принцип Ле Шателье – Брауна (1884г.) – если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (температура, давление, концентрация, внешнее электромагнитное поле), то в системе усиливаются процессы, направленные на компенсацию внешнего воздействия.

Закон необходимого разнообразия. Если система находится в управляемом состоянии, то необходимо, чтобы на случай любого внешнего воздействия, способного вывести систему из допускаемого состояния, существовала такая ее реакция, которая бы возвращала систему в одно из допустимых состояний.

Источник

Стабильность и устойчивость экосистем

Системы с высокой резидентной устойчивостью способны воспринимать значительные воздействия, не изменяя существенно своей структуры, то есть практически не выходя за пределы равновесного состояния. Поэтому понятие упругой устойчивости для них не определено (если система не выходила за пределы равновесия, то как можно говорить о возвращении в равновесное состояние после снятия возмущения). Если внешнее воздействие превышает определенные критические значения, то такая система обычно разрушается. В технике подобное качество называется жесткостью. Предельные значения внешних воздействий, которые система способна выдержать без разрушения соответствуют запасу жесткости. Когда говорят о высокой резидентной устойчивости, то имеется в виду именно высокий запас жесткости данной системы. Это несколько отличается от понятия высокой стабильности, так как здесь в первую очередь внимание обращается на неизменность структуры. Тундра, например, обладает высокой стабильностью, но она очень ранима, у нее малый запас жесткости, то есть малая резидентная устойчивость. Экосистему тундры очень легко разрушить. Достаточно проехать вездеходу. Колеи, которые он оставляют за собой, сохраняются десятилетиями. Такие экосистемы по аналогии с техникой можно назвать хрупкими.

Системы с малой резидентной устойчивостью для нормального существования должны обладать высокой упругой устойчивостью. Они более чувствительны к внешним возмущениям, под действием которых они как бы «прогибаются», частично деформируя свою структуру, но после снятия или ослабления внешних воздействий быстро возвращаются в исходное равновесное состояние. При превышении пороговых воздействий такая система теряет устойчивость, то есть все дальше удаляется от состояния равновесия. Диапазон воздействий, которые может выдержать система без разрушения, в технике соответствует запасу упругости. Таким образом, степень упругой устойчивости можно оценить как упругостью, определяющей степень сопротивления внешнему воздействию и скорость возврата в исходное состояние после снятия воздействия, так и запасом упругости. В отличие от упругих систем, пластичные системы после снятия внешнего воздействия не возвращаются в исходное состояние, а приходят к какому-то другому равновесному состоянию. Так согласно точке зрения оппонентов теории моноклимакса, для экосистем характерно не одно, а несколько состояний равновесия (климакса). Таким образом, для пластичных экосистем характерна малая упругая и малая резидентная устойчивость.

Похоже на то, что резидентная и упругая устойчивости взаимоисключают друг друга, точнее, экосистеме трудно развивать оба вида устойчивости. Например, одни леса состоят из деревьев с толстой корой, обладающих повышенной резидентной устойчивостью к пожарам. Но если такой лес все-таки сгорит, то его восстановление, как правило, крайне проблематично. Напротив, многие леса очень часто горят (низкая резидентная устойчивость), но быстро восстанавливаются (высокая упругая устойчивость). Ориентация экосистем на один из видов устойчивости определяется, как правило, изменчивостью среды: при стабильных условиях экосистемы склонны к более высокой резидентной устойчивости, при изменчивых условиях предпочтение отдается упругой устойчивости.

Природа обоих видов устойчивости состоит в наличии в экосистеме разного рода обратных связей. В основном это отрицательные обратные связи, которые направлены на стабилизацию параметров экосистемы, возвращая их значения к какой-то изначально заданной величине. Однако немаловажную роль играют и положительные обратные связи, усиливающие благоприятные для системы изменения, например, в плане роста и выживаемости организмов. Однако деятельность положительных обратных связей обязательно должна быть ограничена соответствующими отрицательными обратными связями, иначе ничем не контролируемая экспансия жизни может привести экосистему к гибели. В обоих случаях схема управления выглядит одинаково (рис.25).

Помимо отрицательной обратной связи устойчивость экосистемы может быть обеспечена избыточностью компонентов. Например, если в системе имеется несколько автотрофов, каждый из которых характеризуется своим температурным диапазоном функционирования, то скорость фотосинтеза сообщества в целом может оставаться неизменной, несмотря на колебания температуры. То же самое можно сказать и про гетеротрофов. Поэтому видовое разнообразие способствует повышению устойчивости экосистем (закон Эшби). При этом как в случае резидентной, так и в случае упругой устойчивости расширяется диапазон пороговых воздействий, которые способны выдержать экосистема без разрушения (запас жесткости и запас упругости).

Если разные стадии сукцессии экосистемы считать квазистатическими состояниями, то здесь можно отметить ряд закономерностей. На первых стадиях сукцессии экосистемы способны очень быстро возобновляться. Например, мы можем распахать по весне все поле, но уже к осени оно будет укрыто травами. Это говорит о достаточно высокой упругой устойчивости на начальных стадиях сукцессии, которая по мере движения к климаксу постоянно снижается. То есть на каждой следующей стадии для восстановления исходного состояния требуется гораздо больше времени. Климаксный лес характеризуется очень малой упругой устойчивостью.

Как уже было сказано, для реальных лесов характерен, как правило, мозаичный климакс. По-видимому, именно такой лес имеет наилучший комплекс показателей устойчивости и стабильности. Периодические сильные воздействия на него в целом лес выдерживает достаточно жестко, жертвуя лишь наиболее старыми и хрупкими участками, которые, даже если они превращаются после пожара в абсолютно пустые пространства, в условиях непосредственной близости неповрежденного леса восстанавливаются сравнительно быстро.

Примером абсолютно нежизнеспособных экосистем являются агроценозы, создаваемы человеком из однолетних и двулетних культурных растений, то есть продукты сельскохозяйственной деятельности человека. Многие экологи даже не считают их экосистемами, хотя есть все основания считать их экосистемами с искусственно поддерживаемыми начальными стадиями сукцессии. Заброшенные поля сразу же втягиваются в естественный ход сукцессии. Что касается возделываемых полей, то они существуют только за счет человека. Свидетельством их нежизнеспособности является крайне малая устойчивость как упругая, так и резидентная, что является следствием очень скудного видового разнообразия как флоры (все сорняки подавляются гербицидами), так и фауны («вредных» насекомых мы травим пестицидами). Малая упругая устойчивость проявляется, например, в резких вспышках численности конкретных видов вредителей. Подобные вспышки в естественной природе наблюдаются очень редко. Малая резидентная устойчивость проявляется, например, в повышенной чувствительности посевов к природным условиям, таким как град, засуха, повышенное количество осадков и т.д.

Осваивая все большие территории планеты, человек продолжает стратегию обеднения видового разнообразия. Этим он все более подрывает способность природы сопротивляться внешним воздействиям и возвращаться в исходное состояние. Как знать, может быть, роковая черта, за которой начинаются необратимые изменения, уже пройдена. Это значит, что биосфера никогда больше не придет к исходному состоянию. Это значит, что мы вступили на путь глобальных перемен, которые постепенно изменят жизнь на Земле самым коренным образом. Будет ли в этом мире место человеку?

Источник