Экосистемные законы

Основной закон формирования экосистем гласит:

длительное существование организмов возможно лишь в рамках экологических систем, чьи элементы дополняют друг друга и приспособлены друг к другу.

Степень взаимосвязанности элементов экосистем раскрывается законом внутреннего динамического равновесия экосистем Н. Ф. Рей­мерса:

вещество, энергия, информация и динамические качества экосистемы взаимосвязаны настолько, что любое изменение любого из этих показателей порождает функциональные и структурные, количественные и качественные перемены всей экосистемы, сохраняя, однако, присущие ей общий баланс вещества, энергии, информации и динамические качества.

Практически важные следствия из этого закона:

1. Любое изменение среды порождает цепочку реакций природных экосистем, которые приводят либо к нейтрализации изменения, либо к формированию новых природных систем. Второй вариант реализуется при значительных изменениях среды и является необратимым.

2. Взаимодействие элементов экосистемы нелинейно, то есть слабое (ко­ли­че­с­т­вен­ное) изменение одного из показателей может вызвать сильные (ка­че­с­т­вен­ные) изменения других компонент и системы в целом (п. 4.8.2.3). Например, одна из наиболее убедительных теорий колебаний уровня Каспийского моря рассматривает его как нелинейную систему с двумя устойчивыми состояниями: одно соответствует высокому, а другое — низкому уровню моря. Переключение же между этими состояниями, как показывается в теории, может быть вызвано слабым случайным воздействием, например, несколькими засушливыми (или, наоборот, дождливыми) годами.

3. Производимые в крупных экосистемах изменения необратимы: проходя по иерархии экосистем, они могут добраться до уровня биосферы в целом, изменить глобальные процессы и тем самым необратимо перевести их на новый эволюционный уровень. Критический масштаб изменений, последствия которых становятся необратимыми, дается правилами 1% и 10%.

Так же, как и организм, экосистема проходит фазы расцвета, зрелости, увядания, а в конце концов уступает свой биотоп другой экосистеме.

Последовательная замена одних экосистем другими, преемственно возникающими в пределах одного биотопа благодаря внутреннему развитию сообществ и их взаимодействию с окружающей средой, называется сукцессией (лат. successio — преемственность, наследование).

Смена фаз сукцессии идет в определенной последовательности; каждая фаза готовит среду для возникновения следующей. Например, пожарище в тайге быстро зарастает травами; их сменяют кустарники; затем образуется березовый или осиновый лес; он замещается сосной, та — елью или пихтой… Темп этих процессов подчиняется закону сукцессионного замедления:

процессы в зрелых экосистемах, как правило, проявляют тенденцию к снижению темпов.

Вытеснение трав кустарниками происходит в течение нескольких лет; а вот еловый лес хоть и не лишен тенденций к развитию, но оно сильно заторможено. Такое медленно эволюционирующее состояние экосистемы называется климаксом. Закон сукцессионного замедления можно рассматривать как следствие из правила о максимуме энергии поддержания зрелой системы:

в ходе сукцессии все большая доля протекающего через систему потока энергии направляется не на развитие, а на поддержание системы.

Другими следствиями из этого весьма общего правила являются принцип минимизации прироста в зрелой экосистеме:

экосистема в сукцессионном развитии стремится к образованию наибольшей биомассы при наименьшей биологической продуктивности,

и принцип «сукцессионного очищения»:

биологическое разнообразие экосистемы стремится к максимуму на ранних или средних фазах сукцессии, а затем снижается в климаксе.

Зрелая экосистема — замкнутое образование. Так, сразу после лесного пожара разомкнутость круговоротов вещества (почвы), не защищенного растительностью, составляет почти 100%. За следующие 10 лет она снижается примерно до 10%, а со вступлением в фазу климакса достигает возможного минимума.

В связи с антропогенным воздействием, изымающим виды из естественных экосистем, возникает вопрос, в какой мере это влияет на процесс сукцессии, который играет важнейшую роль в поддержании всей иерархии экосистем Земли. Ответ дается законом эволюционно-эко­ло­ги­че­с­кой необратимости:

Экосистема в ходе сукцессии не может вернуться к первоначальному состоянию, если исчез навсегда (или на долгий срок) хотя бы один вид.