АНТРОПОГЕННІ І ШТУЧНІ ЕКОСИСТЕМИ

Антропогенні екосистеми є наслідком діяльності людини, спрямованої на задоволення її невпинно зростаючих потреб, насамперед у продуктах харчування. Як відомо, основною властивістю природних систем є здатність до саморозвитку, і в першу чергу до самовідновлення, хоча б упродовж одного-двох поколінь. Тому деякі науковці вважають, що немає підстав розглядати антропогенні екосистеми, включаючи і агроценози, як біологічні екосистеми. Однак із загальноприйнятого визначення екосистеми випливає, що вони становлять «єдиний природний або природно-антропогенний» комплекс, утворений живими організмами і середовищем їх існування, в якому живі й неживі компоненти поєднані між собою причинно-наслідковими зв’язками, обміном речовин та розподілом потоку енергії». Усе це властиве і антропогенним екосистемам.

Щодо функцій самовідновлення і саморегулювання, то вони також не будуть властиві мікроекосистемам, якщо їх розглядати як системи, ізольовані від навколишнього природного середовища, від біосфери. Якщо розглядати, за сучасними уявленнями, систему (грец. systema – ціле, складене з частин, сполучення) як «множину елементів, що перебувають у відносинах і зв’язках один з одним і утворюють певну цілісність, єдність», антропогенна система відповідає цьому визначенню.

Отже, антропогенні екосистеми являють собою єдиний, цілісний природно-антропогенний комплекс, утворений людиною та середовищем її існування, в якому живі й неживі компоненти поєднані причинно-наслідковими зв’язками, обміном речовин та розподілом потоку енергії. Ці системи належать до штучних, в них обмін речовиною та енергією відбувається під впливом людини. А тому вони є відкритими незамкнутими системами, які не здатні до самовідновлення та саморегулювання. В антропогенних системах існує рівновага за умови постійного втручання людини.

Залежно від роду діяльності людини антропогенні екосистеми поділяють на промислові (екосистеми металургійного заводу, харчового виробництва та ін.), сільськогосподарські (агроценози, птахофабрики, тваринницькі ферми та ін.), міські екосистеми (екосистеми комунального господарства, житлового будинку та ін.) тощо.

Раніше від інших були створені людиною сільськогосподарські екосистеми з метою забезпечення її потреб у продуктах харчування – агроценози, тваринницькі ферми тощо. Агроценози (грец. «агрос» – поле і «ценоз» – загальний) – це ценози, що утворюються і підтримуються людиною завдяки розробленій нею системою агротехнічних та агрохімічних заходів. Вони характеризуються видовою бідністю і одноманітністю. Відповідно до закону ґрунтостомлення, поступове зниження природної родючості ґрунтів відбувається через тривале їх використання й порушення природних процесів ґрунтоутворення, а також внаслідок тривалого вирощування монокультур (у результаті накопичення токсичних речовин, що виділяються рослинами, залишками пестицидів та мінеральних добрив). В агроценозах здійснюється антропогенний обмін речовин, який є незамкненим і екологічно недосконалим. На вході в систему є природні ресурси та речовини, продуковані людиною, а на виході – сільськогосподарські продукти та різні відходи, які не повертаються до цієї системи.

Згідно із законом сукупної дії природних факторів (закон Мітчерліха-Тіннемана-Бауле), обсяг урожаю залежить невід окремого, нехай навіть лімітуючого фактора, а від усієї сукупності екологічних факторів одночасно.

В агроценозах регуляторні зв’язки дуже послаблені, що призводить до збільшення кількості шкідників і бур’янів. Тому вони не можуть довго існувати і в них не відновлюється внутрішня рівновага після будь-якого природного чи антропогенного впливу без втручання людини. Проте вони мають високу біопродуктивність одного або кількох видів рослин і тварин, які постачають людству до 90 % продуктів харчування

Останнім часом розроблені технології штучних екосистем екосфери. Вперше (1967) їх почав створювати співробітник Гавайського університету (США) К. Фолсом. Подібні роботи виконуються і в інших країнах. Екосфера – це замкнений об’єм, який містить морську воду, пісок і певний набір автотрофів (продуценти – водорості) та гетеротрофів (консументи – коловертки і редуценти – бактерії). Технічною проблемою при створенні екосфер є попереднє повне звільнення усіх живих організмів від патогенних інфекцій. Якщо цього не здійснити, то організми швидко гинуть внаслідок низького видового різноманіття в екосфері. Останнє не дає змоги переробити речовини в паралельних трофічних ланцюгах. Джерелом енергії в екосфері є сонячне випромінювання, але в деяких екосферах використовують штучне освітлення. Екосфери є прообразом системи життєзабезпечення космонавтів у тривалих космічних подорожах.

До штучних технічних екосфер можна також віднести виробництва з штучним кліматом у замкненому заводському приміщенні з працюючими робітниками, підводні човни, космічні кораблі та пілотовані космічні станції. У цих екосферах обмін речовиною та енергією здійснюється за участю людини. Існування таких об’єктів є штучним і нетривалим.

4.6. ТРОФІЧНІ ЛАНЦЮГИ (МЕРЕЖІ)

У природі відбувається безперервний колообіг біогенних речовин, необхідних для життя. Автотрофи за допомогою фотосинтезу створюють органічні речовини, якими живляться гетеротрофи, а редуценти знов їх мінералізують. Таким чином, у процесі еволюційного розвитку життя в екологічних системах склалися певні ланцюги живлення (трофічні; грец. «трофо» – живлення). Ланцюг живлення (трофічний ланцюг) – послідовність груп організмів, кожна з яких (ланка ланцюга) є поживою для наступної, тобто поєднана зв’язками їжа – споживач. На базі трофічних зв’язків виникають ланцюги живлення, що включають групи організмів, у яких одні поїдають інших. До будь-якої екосистеми входить кілька трофічних рівнів або ланок ланцюга. На основі ланцюгів живлення складається екологічна піраміда (рис. 4.4).

Ланцюг живлення, як правило, складається з 2-5 ланок і включає представників продуцентів, консументів і редуцентів:

Перший рівень представлений автотрофними організмами (рослинами) – продуцентами, другий – гетеротрофами (тваринами) – консументами першого порядку. їх ще називають фітофагами (грец. «фітон» – рослина і «фагос» – той, що пожирає), які поїдають рослини. Третій рівень (інколи четвертий, п’ятий) представлений хижаками (зоофагами), або консументами другого (третього, четвертого) порядку. Останній рівень представлений в основному організмами, поживою яких є мертва речовина. їх називають сапрофагами (грец. «сапрос» – гнилий), або редуцентами (лат. «редуцере» – повертати).

Головною властивістю ланцюга живлення є здійснення біологічного колообігу речовин і звільнення запасеної в органічній речовині енергії. Ланцюг живлення може бути не завжди повним. У деяких випадках у них немає рослин (продуцентів). Такими, наприклад, є ланцюги живлення, що формуються на основі розкладання трупів тварин або рослинних решток (лісова підстилка). В ланцюгу живлення часто відсутні або представлені невеликою кількістю тварини (гетеротрофи). Наприклад, у лісі відмерлі рослини відразу споживають редуценти, які розкладають органічні сполуки до мінеральних речовин і вуглекислого газу, завершуючи колообіг. У процесі кожного чергового перенесення енергії живлення з одного трофічного рівня на вищий більша частина (80-90 %) енергії втрачається, переходячи в теплоту.

Ланцюги живлення поділяють на два типи: ланцюги пасовиськ (від зеленої рослини до травоїдної тварини і далі – до хижаків, що поїдають рослиноїдних тварин) і детритні (ланцюги розкладання від детриту через мікроорганізми до детритофагів та їх споживачів – хижаків). Останнім часом вважають, що краще вживати термін «трофічна мережа», а не «ланцюг», оскільки до складу їжі кожного типу входить кілька видів. Кожен з цих видів, у свою чергу, може бути живленням для кількох інших видів.

Основним способом живлення рослин є фотосинтез, у процесі якого під дією сонячної енергії відбувається перетворення неорганічної речовини – вуглекислого газу на вуглеводи:

,

де А -донор електронів. У зелених рослинах (водорості, вищі рослини) донором електронів є вода. Тому в результаті фотосинтезу утворюється кисень:

У бактерій роль донора електронів можуть виконувати, наприклад, гідрогенсульфід та органічні речовини. Так, у зелених і пурпурних сіркобактерій відновлення оксиду карбону (IV) відбувається за схемою:

СО₂ + 2Н₂S → (СН₂О) + 2S + Н₂О.

У процесі фотосинтезу світлова енергія вловлюється хлоропластами і перетворюється в кінцевому підсумку на енергію хімічних зв’язків вуглеводів. У розрахунку на один моль поглиненого вуглецю фіксується 477,7 кДж (114 ккал) енергії. В процесі фотосинтезу беруть участь як фотохімічні реакції, так і суто ферментативні (так звані темнові) реакції, а також процеси дифузії, завдяки яким відбувається обмін вуглекислим газом і киснем між рослинами та атмосферним повітрям. Кожний з цих процесів перебуває під впливом внутрішніх та зовнішніх факторів і може обмежувати продуктивність фотосинтезу загалом.

Рослинна маса формується не тільки за рахунок продуктів фотосинтезу. Поряд з вуглецем, киснем і воднем вона містить у середньому 2-4 % азоту (в білкових речовинах – 15-19 %). Серед біоелементів азот за кількістю його в рослинах посідає четверте місце. Приріст рослинної маси нерідко лімітується кількістю азоту.

Крім світлового живлення рослинам необхідне мінеральне живлення. Вони потребують багато елементів, які або надходять з мінералів, або стають доступними в результаті мінералізації органічної речовини. Всі хімічні елементи поглинаються у формі йонів і включаються в рослинну масу, накопичуючись у клітковому соці. Життєво необхідними і незамінними є основні елементи мінерального живлення, які потрібні у великих кількостях: калій, фосфор, кальцій, магній, сірка, натрій, а також мікроелементи – залізо, мідь, цинк, манган, молібден, бор і хлор. Крім того, існують елементи, потрібні тільки для деяких груп рослин: алюміній – для папоротей, силіцій – для діатомових водоростей і кобальт – для бобових.

Від наявності достатньої кількості живлення залежать усі форми життєдіяльності тварин. Особливість дії живлення як екологічного фактора для тварин полягає в тому, що екологічне значення має тільки нижня межа витривалості. У разі нестачі живлення вона є важливим лімітуючим фактором, тоді як його надлишок не лімітує розвиток особин. Як обмежувальний фактор нестача живлення впливає на плодючість і швидкість розвитку тварин. Підсумовуючи вищесказане, можна сформулювати такий принцип (А. К. Запольський): рушійною силою розвитку організмів є наявність достатнього живлення. Необхідна кількість кормів зростає зі збільшенням маси тварини. Географічне поширення тварин часто зумовлене фактором живлення. Добові, сезонні та інші регулярні міграції тварин здебільшого пов’язані з потребами живлення.

У процесі живлення тварини й рослини дістають енергію, необхідну для життєдіяльності, і поживні речовини, необхідні для побудови тканин тіла та виконання всіх фізіологічних функцій. Вимоги до живлення можуть значно змінюватися залежно від стану організму, пори року тощо. Для рослин і тварин мають значення як кількість поживних речовин, так і їхній якісний склад.

Ефективність трофічних ланцюгів оцінюється величиною біомаси екосистеми та її біологічною продуктивністю. Біомаса – загальна маса живих організмів, яка нагромаджена в популяції, біоценозі чи біосфері на будь-який момент часу. Вона виражається в одиницях сирої чи сухої маси або енергії на одиницю поверхні чи об’єму (гектар або квадратний чи кубічний метр). Найбільшу біомасу на суші серед гетеротрофів маютьбезхребетні та ґрунтові організми (біомаса дощових червів може сягати 1000- 1200 кг/га). Близько 90 % біомаси біосфери припадає на біомасу наземних рослин. Найбільшою є маса тропічних лісів (до 1700 т/га), а найнижчою – тропічних і субтропічних пустель (близько 2,5 т/га). Біомаса лучних степів становить 250 ц/га (наземна), лісової смуги Полісся – до 3500-4000 (наземна) і 960 ц/га (підземна).