1.2. Экологические системы

Биосфера как самая крупная экологическая система подразделяется на отдельные составляющие экологические системы.

Экологическая система - физически или мысленно выделенная часть биосферы, в которой совокупность совместно обитаю-щих разных видов организмов и место их существования объединены в единое функциональное целое. Экосистема основная функциональная единица экологии, термодинамически открытая,т.е. обменивающаяся с внешней средой веществом и энергией.

Часто термин экологическая система применяют как синоним биогеоценоза. Хотя биогеоценоз правильнее рассматривать как иерархически элементарную своеобразную "клеточку" биосферы (по аналогии с клеточным строением организма, состоящую из биотопа и биоценоза.

По масштабу выделяют микроэкосистемы (например, ствол гниющего дерева), мезоэкосистемы (лес, пруд и т.п.) и макроэкосистемы (океан, континент и т.п.).

Самой крупной и наиболее близкой к идеалу самообеспечения экологической системой является биосфера. Она включает различные биогеоценозы: океанские, речные, горные, материковые, островные и т.п. Следуя по пути разукрепнения можно выделить локальные биогеоценозы в виде лесов, полей, озер, пещер и даже более мелкие, в том числе антропогенного происхождения: жилища, подвалы, объекты биологической очистки стоков, фортификационные сооружения, обитаемые технические средства. Каждый из них характеризуется своими параметрами,состоянием, скоростью обмена энергией, степенью освоения человеком. Естественные биогеоценозы называются коренными, в отличии от техногенных, включающих в свой состав полностью или частично измененные в результате антропогенной деятельности компоненты.

Каждый биогеоценоз проходит стадии развития и стабилизации, а со временем замещается новым. Последовательная смена биогеоценозов, преемственно возникающих на одной и той же территории под влиянием развития сообщества живых организмов и сопутствующих изменений в окружающей среде называется  экологической сукцессией. Со временем биогеоценоз стабилизируется, достигая максимальной продуктивности и защищенности от резких изменений при воздействии факторов природного, антропогенного или катастрафического характера. Зрелые экологические системы обладают по сравнению с развивающимися большой способностью удерживать биогенные элементы в обменном фонде и сохранять их для круговорота внутри системы. Как правило, сукцессионная смена биогеоценозов происходит в определенной последовательности, поскольку новое сообщество живых организмов возникает на основе условий, созданных предыдущим, и обладает по отношению к нему некоторой преемственностью.

Экологические системы характеризует устойчивость, то есть способность системы оставаться относительно неизменной в течение определенного времени вопреки внешним и внутренним воздействиям. Устойчивость экологических систем во многом обусловлена гомеостазом входящих в их состав живых организмов, или их способностью противостоять изменениям и сохранять состояние равновесия, обеспечивать самоподдержание и саморегулирование. Гомеостаз складывается в условиях действия различных факторов, выполняющих функции прямых и обратных (положительных и отрицательных) воздействий (связей). Для биологических систем характерным примером прямой связи служит доступное количество пищи, управляющее ростом и размножением живых организмов.

Положительная обратная связь имеет автокаталитический характер и проявляется, например, в увеличении потребности в пище растущего организма, которая должна находиться в пределах между минимальным необходимым и максимальным допустимым значениями. Сама по себе положительная обратная связь не может поддерживать гомеостаз, поскольку самостоятельный возврат биологической системы в зону устойчивости невозможен, а за допустимыми пределами в пище наступает гибель организма либо из-за ее нехватки, либо в результате "переедания". В частности, человек находится под сильным влиянием положительной обратной связи. И только отрицательная обратная связь позволяет организовать устойчивое динамическое равновесие любой системы. В нашем примере она действует как механизм регулирования: размножение и рост организмов замедляются при дефиците пищи и усиливаются при появлении ее избытка.

Регулирующее действие обратных связей ограничивается областью допустимых значений внешних и внутренних дестабилизирующих факторов, влияющих на систему. По мере нарастания интенсивности вредных воздействий способность живого вещества к гомеостазу утрачивается и биологические системы переходят в другое состояние, часто несовместимое с жизнью прежних организмов.

В общем, экосистема, включает следующие компоненты:1)неорганические вещества C, N, CO₂, H₂O и т.д.), включающиеся в круговороты; 2) органические вещества (белки, углеводы, липиды, гумины и т.д.), связывающие биотическую (живую) и абиотическую (неживую) части; 3) климатический режим (температура и другие физические факторы); 4) продуценты - автотрофные синтезирующие организмы, главным образом зеленые растения, которые способны создавать пищу из простых неорганических веществ; 5) макроконсументы, или фаготрофы (от греч. фагос - пожирающий) - гетеротрофные организмы, главным образом животные, которые поедают другие организмы или частицы органического вещества; 6) микроконсументы, сапротрофы (от греч. сапро - разлагать), или осмотрофы (от греч. осмо проходить через мембрану) - гетеротрофные организмы, преимущественно бактерии и грибы, которые разрушают сложные соединения и высвобождают неорганические питательные вещества.

Рассмотренные компоненты экосистемы составляют своего рода "биологический спектр". Сообщество, популяция, организм, орган, клетка и ген - главные уровни организации жизни. Взаимодействие указанных компонентов с физической средой (энергией и веществом) на каждом уровне обуславливает сосуществование определенных функциональных систем. Поэтому можно рассматривать системы генов, органов и т.д. Экология изучает преимущественно системы, расположенные в правой части приведенного спектра, начиная от уровня организмов.

Термин популяция в экологии имеет широкое значение и относится к группе особей любого вида организмов. Сообщество включает все популяции, занимающие данную площадь. Сообщество и неживая среда функционируют совместно как экологическая система.

Примером экосистемы может быть аквариум для домашних рыбок. Для достижения экологического равновесия необходим аквариум объемом около 50 л, несколько золотых рыб, улиток и большое количество растений валлиснерии, а также разнообразных микроорганизмов. Рыбы питаются растениями и микроорганизмами, а для дыхания , в связи с низкой растворимостью кислорода, им требуется большое количество воды (0,1-0,5 особей на 1м² аквариума). Улитки содержатся для разложения остатков растений и слизи.

В случае увеличения числа рыбок в аквариуме экологическое равновесие нарушается. Необходимо дополнительное питание, аэрация и периодическая очистка аквариума. Таким образом, составными частями экосистемы являются: вода-2, растения-7, рыбы-4, улитки-1, бактерии-3.

Кислород воздуха-6 и тепло-5 вносятся извне, вследствие чего термодинамическая система - аквариум становится открытой. Изменение любого из семи компонентов открытой системы приводит к нарушению установившегося равновесия.

Вторым примером экосистемы выберем космический корабль. Человек, покидая биосферу, должен взять с собой четко ограниченную закрытую среду, которая обеспечивала бы все его жизненные потребности, используя из внешних факторов только солнечную энергию. Для полета, длящегося несколько недель, космонавту не нужна полностью самоподдерживающаяся экосистема, т.к. пищу и кислород можно запасти, а углекислота и другие отходы могут быть на короткое время изолированы или обезврежены. Для длительных путешествий, например на планеты Солнечной системы, космический корабль должен представлять собой самоподдерживающуюся экосистему. Такая система должна включать не только необходимые для жизни абиотические вещества и средства для их многократного использования; в ней должны осуществляться сбалансированные процессы продуцирования, потребления и разложения - организмами или их искусственными заменителями.

По этим же причинам нельзя создать простую самоподдерживающуюся систему на подземном командном пункте, в отсеках подводной лодки и в других небольших обитаемых объемах.

1.3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ.

Экологическая система характеризуется экологическими факторами. Это любое условие или действие среды, способное оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы. Экологические факторы подразделяются на факторы неживой природы - абиотические и живой природы - биотические.

К абиотическим факторам относятся климатические условия (свет, температура, влага, давление), почвенные условия (состав, влагоемкость, плотность, воздухопроницаемость), географические условия (рельеф, высота и плотность снежного покрова), химические факторы (газовый состав атмосферы, морских и пресных вод, почвы и данных отложений) и др. Абиотические факторы играют решающую роль в жизни и эволюции животных, растений микроорганизмов.Численость (биомасса) и распределение организмов в пределах экосистемы зависят от лимитирующих абиотических факторов. У каждого организма по отношению к отдельному абиотическому фактору есть оптимальные потребности; крайние значения каждого абиотического фактора делают невозможным нормальную жизнедеятельность организма.

Существует много форм приспособления животных к абиотическим факторам. Например, обитатели пустынь бодрствуют ночью, избегая прямого воздействия солнца. Многие из них привыкли обходиться без воды, добывая ее из растений. Когда солнце высушивает растения, животные впадают в летнюю спяч­ку.

Абиотические факторы определяют зональность распространения организмов, влияют на их сезонные биологические ритмы, т.е. являются важными экологическими факторами.

К биотическим факторам относят фитогенные (растительные организмы), зоогенные (животные), микробиогенные (вирусы, бактерии) и атропогенные (деятельность человека).

Биотические факторы лежат в основе формирования трофических (пищевых) цепей - на этом базируется взаимосвязь между растительным и животным миром, между разными видами плотоядных животных. Очень важным является взаимосвязанность и взаимообусловленность биотических факторов, их влияние на численность животных и ее динамику во времени и пространтве. Пища, например, для животных - единственный источник энергии, недостаток её может служить лимитирующим фактором.

Биотические факторы широко используют в преобразовании, управлении и охране окружающей среды, изменение состава и состояния живой и неживой природы определенных участков и территорий.

Среди биотических факторов антропогенный фактор занимает особое место и преобретает самостоятельное значение. Воздействие человека на природу - необходимое условие его существования. Оно сказывается на всех ресурсах и компонентах биосферы (почвенном покрове, гидросфере, атмосфере, животном и растительном мире, литосфере).

Можно выделить четыре главные формы воздействия человека на иосферу:

1. Изменение структуры земной поверхности - распашка целинных земель, вырубка лесов, осушение болот, создание искусственных водоемов и другие изменения поверхности вод и т.д.

2. . Изменение состава биосферы, круговорота и баланса входящих в него веществ - добыча ископаемых, создание отвалов выработанных пород, выбросы различных веществ в атмосферу и гидросферу, изменение влагооборота.

3. Изменение энергетического и, в частности, теплового баланса отдельных регионов и планеты в целом.

4. Изменения, вносимые в биоту - совокупность живых организмов, истребление некоторых организмов, создание новых пород животных и растений, перемещение организмов в новые места.

Влияние антропогенного фактора на окружающую среду упрощенно можно представить в виде модели. Действуют три фактора: численность населения, среднедушевое потребление ресурсов и способ использования ресурсов, выраженный уровнем отходов при производстве, и как следствие - деградация и загрязнение окружающей среды, приходящееся на каждую используемую единицу ресурсов. Согласно представленной модели высокий уровень воздействия на окружающую природную среду обусловлен либо увеличением численности населения на рассматриваемой территории, либо ростом потребления ресурсов на душу населения. Первое характерно для слаборазвитых стран, где увеличение числености населения опережает рост экономики, второе - для экономически развитых стран. Оно проявляется, когда небольшое по числености население использует ресурсы в таких масштабах, что возникает значительное загрязнение, деградация окружающей среды и истощение ресурсов.

В настоящее время человечество активно использует около 55% суши, 12% речной воды, половину ежегодного прироста леса; в результате строительства и горных работ ежегодно пере­мещается более 4 тыс.км3 породы, каждый год извлекается из недр более 100 млрд.т руды и сжигается 7 млрд.т условного топлива. Потребление кислорода за последние 100 лет состави­ло 240 млрд. т; за это время время в атмосферу было выброшено 360 млрд. диоксида углерода.