Принципи функціонування екосистем

Цілісність і стійкість екосистем забезпечується:

■ - кругообігом хімічних елементів;

■ - використанням сонячної енергії;

■ - передачею енергії по ланцюгах живлення.

Перший принцип. Одержання ресурсів і позбавлення від відходів відбувається в рамках кругообігу всіх хімічних елементів. Кругообіг вуглецю (в біосфері вуглецю ~ 12×10¹² т) відбувається фактично між живою речовиною та двоокисом вуглецю завдяки процесу фотосинтезу, здійснюваного рослинами. Вуглець - основний хімічний елемент живої речовини, оскільки входить до складу білків, жирів, вуглеводів та інших речовин. Двоокис вуглецю, що виділяється під час дихання організмів і розкладання органічних речовин, в аеробних умовах поглинається листям і кореневою системою для синтезу органічних сполук, що розміщуються в ґрунті разом з органічними речовинами - рештками відмерлих організмів. Щорічно вищі рослини і водорості при фотосинтезі поглинають 200 млрд. т вуглецю. В літосфері знаходяться сполуки вуглецю (у вигляді корисних копалин і карбонатів, а також алотропних форм - алмазу і графіту). У воді - карбонати і гідрокарбонати, розчинений СО₂, на дні - карбонатні мули, утворені хімічним шляхом чи внаслідок накопичення мертвих решток організмів, що будують своє тіло з карбонату кальцію.

Людська діяльність значно впливає на кругообіг вуглецю. Його сполуки у вигляді оксидів потрапляють в атмосферу при спалюванні горючих корисних копалин, що їх запасла літосфера; вуглеводні - під час нафтовидобутку та нафтопереробки.

Кругообіг кисню. Кисень використовується живими організмами для дихання і бере участь в окисних реакціях в атмосфері, літосфері і гідросфері. Циркулюючи через біосферу, кисень перетворюється то на органічну речовину, то на воду, то на молекулярний кисень. Весь кисень атмосфери через 2 тис. років проходить через живу речовину біосфери. За час свого існування людство вже безповоротно втратило близько 273 млрд. т кисню, а в наш час на спалювання вугілля, нафтопродуктів та газу втрачається величезна кількість кисню, й інтенсивність цього процесу щороку збільшується.

Кругообіг азоту, фосфору, сірки. Азот знаходиться у повітрі у вигляді газоподібних сполук (N₂, NH₃,N₂O); в живих організмах у вигляді білків, нуклеїнових кислот, ферментів; у ґрунті - у вигляді солей амонію, нітратів і нітритів; тут завдяки численним мікроорганізмам відбуваються найрізноманітніші біохімічні процеси. Азот вступає в кругообіг виключно через кореневу систему у вигляді нітратів чи солей амонію або за допомогою бактерій, грибів, синьо-зелених водоростей, здатних зафіксувати атмосферний азот. В природі є поклади KNO₃ (чилійської селітри) лише в Чилі.

Особливістю кругообігу фосфору є те, що він має лише одну газоподібну сполуку - фосфін РН₃, який утворюється під час гниття органічних решток. Мінерали - апатит і фосфорит; у ґрунті фосфор входить до складу решток мертвих організмів та їхніх екскрементів.

Сірка у складі органічних сполук міститься в живих організмах, горючих корисних копалинах. В ґрунті діють численні мікроорганізми, що перетворюють сполуки сірки в сірку і навпаки. Під час гниття органічних решток виділяється токсичний гідрогеносульфур, що отруює водяні організми; з іншого боку Н₂S може осаджувати катіони важких металів у вигляді малорозчинних сульфідів, сприяючи самоочищенню водойм. Великі кількості оксидів сірки утворюються при спалюванні сміття, добуванні металів з сульфідів, у виробництві та використанні сірчаної кислоти. В літосфері сірка існує як самородна; в мінералах і в природних водах, особливо мінералізованих. Сірководні зони існують і в морях (Чорне) та океанах - це мертві зони, хоча гідрогеносульфур є джерелом енергії для хемосинтезуючих бактерій.

Діяльність людини прискорює кругообіг вищезазначених елементів, головним чином за рахунок надмірного використання їх у добривах (т.з. надудобрення). При цьому відбувається бурхливе розмноження водоростей - “цвітіння” води. Це призводить до зменшення кількості розчиненого у воді кисню, що знищує рибу та інші організми. Руйнуються сформовані екосистеми. Індустрія і двигуни внутрішнього згоряння викидають в атмосферу багато нітратів і сульфатів. Потрапляючи на землю з дощами (т.з. “кислими” дощами), вони засвоюються рослинами, викликаючи їх мутацію або, частіше, загибель.

Кругообіг води. Вода покриває ¾ поверхні Землі. Під дією сонячного тепла з поверхні водойм Землі випаровується ~1 млрд. т води. Після охолодження пари утворюються хмари, випадає дощ і сніг. Опади частково проникають у ґрунт, і через коріння рослин, джерела, насоси повертаються на поверхню землі. Діапазон швидкостей циркуляції води дуже великий: від 2 млн. років (поновлення води океанів) до 10 діб (поновлення водяної пари в атмосфері).

Другий принцип. Екосистеми існують за рахунок сонячної енергії, яка не забруднює середовище, практично вічна і кількість якої відносно стала й надлишкова.

Сонце - природний термоядерний реактор, в якому з водню синтезуються ядра гелію і виділяється величезна кількість енергії. Всього на Землю надходить 10,5×10⁶ кДж/м² на рік променистої енергії (близько 30% втрачається в атмосфері, частина відбивається від хмар і 67% сонячної енергії потрапляє до поверхні). Сонячна енергія запасається продуцентами (зеленими рослинами) і передається по ланцюгах живлення: продуцент - консумент - редуцент. З кожного попереднього трофічного рівня передається всього близько 10% енергії, зворотній потік дуже малий і становить ~ 0,5%.

Третій принцип. Чим більша біомаса популяції, тим нижчим має бути трофічний рівень, який вона займає.

Людина порушує всі три принципи функціонування екосистем:

■ - змінюючи кругообіг хімічних елементів;

■ - використовуючи корисні копалини як джерело енергії і забруднюючи довкілля продуктами їх згоряння;

■ - збільшуючи чисельність людської популяції, справляючи тим самим тиск на природне середовище і порушуючи природну рівновагу між компонентами біосфери.