Продуцирование, разложение, биологическое накопление, самоочищение

Продуцирование.

Самыми важными экологическими характеристиками экосистем являются их продуктивность и биомасса.

Продуктивностью экосистемы называют скорость продуцирования ею органического вещества. ЕЕ обозначают буквой П и выражают в единицах массы на единицу площади за единицу времени, например г/м²/год.

Биомассой называют органическое вещество, имеющееся в экосистеме в конкретный момент, вне зависимости от периода, за который она образовалась. Биомассу обозначают буквой Б и выражают в единицах массы на единицу площади, например т/га.

Существует 2 основных пути продуцирования органических веществ:

1 путь: фотосинтез у зеленых растений.

Фотосинтез происходит почти по всей поверхности Земли по суши и в слое воды в пределах досягаемости солнечных лучей (до 200м), создает огромный геохимический эффект и может быть выражен во влечении в биотический круговорот не только углерода, но и биогенов — азота, фосфора, серы и металлов — K, Na, Ca, Mg, Al. Фотосинтез осуществляет хлорофилл, содержащийся в растениях, водорослях и бактериях.

2 путь: хемосинтез, осуществляется в основном бактериями, которые получают энергию в результате химического окисления простых неорганических соединений:

Аммиак NH3à нитриты (NO2)‾à нитраты (NO3)‾;

Сульфиты à Сера;

Fe (II в) à Fe(III в).

К хемосинтезирующим организмам относят: нитрификаторы, карбоксибактерии, сульфат редуцирующие бактерии. Они живут в осадках, почвах, донных океанических отложениях, способны функционировать при полном отсутствии солнечного света. Хемосинтез характерен для организмов в геотермальных источниках.

Четкое разделение на автотрофов и гетеротрофов сложилось только для эволюционно развитых форм жизни. Многие виды бактерий, грибов и высших водорослей приспособлены к иному способу существования и могут с автотрофного переключиться на гетеротрофное питание, а также жить и в присутствии и в отсутствии кислорода. Так для районов с полярной ночью показано, что летом организмы фитопланктона действуют как продуценты, а в течение зимней ночи способны утилизировать органическое вещество, накопившееся в воде, то есть ведут себя как консументы - потребители.

Общее количество биомассы органического вещества, синтезированного продуцентами, является валовой первичной продукции. Часть синтезированной биомассы в процессе жизнедеятельности растений расходуется на собственные нужды. Оставшаяся часть называется чистой первичной продукцией, которая служит источником питания для организмов следующего трофического уровня – консументов.

Основными характеристиками экосистем являются — продуктивные коэффициенты ВПП/биомасса или ЧПП/биомасса.

Ричард Уиттекер делит по продуктивности все сообщества на 4 типа :

I сообщества высшей продуктивности. Более 3 000 г/м² в год. Пример: тропические леса, посевы риса, сахарного тростника. Запас биомассы (превышение продуцирования над разложением) более 50 кг/м² в лесных сообществах и соответствует продуктивности однолетних сельскохозяйственных культур.

II сообщества высокой продуктивности: 1 000 — 2 000 г/м² в год. Пример: листопадный лес умеренного климата, луга с применением удобрений, посев кукурузы. При благоприятных условиях максимальная биомасса приближается к I типу, минимальная равна чистой продукции однолетних культур.

III сообщества умеренной продуктивности: 250 — 1 000 г/м² в год. Пример: основная масса с/х угодий, степи, саванны. Биомасса в степях в зависимости от увлажнения может достигать 2 000.

IV сообщества низкой продуктивности: менее 250 г/м². пример: пустыни, полупустыни, тундры.

Общая годовая продуктивность сухого органического вещества на Земле 100 – 150 млрд. т в год, причем 2/3 образуется на суше и 1/3 в океане.

Деструкция. В биологии под разложением (распадом, деструкцией) понимается процесс превращения сложных высокомолекулярных соединений в более простые. Деструкции подвергаются белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, гормоны и другие органические соединения.

Биохимическая формулировка:

разложение — биологическое окисление, идущее с выделением энергии в той или иной форме.

В биосфере процесс продуцирования и разложения в целом взаимно уравновешивают друг друга. В отдельные исторические периоды развития Земли продуцирование превышало разложение и из этого органического вещества возникло большинство полезных ископаемых (нефть, газ, уголь, торф, известняки). В современных условиях превышение продуцирования над разложением не превышает 1%, Организмы-деструкторы, составляющие менее 1% от суммарной биомассы живых организмов, перерабатывают биомассу органического вещества в 10 раз превосходящую их собственную массу. Средний период обновления всей биомассы 12,5 года.

К процессам распада органического вещества относят: тканевое дыхание, окисление, гниение. Если учитывать потребность в кислороде для распада, то можно выделить несколько типов этого процесса:

1. аэробное дыхание идет в присутствии кислорода; синтезированное органическое вещество вновь разлагается до СО2, Н2О,NH3. Таким образом получает энергию большинство живых организмов;

2. анаэробное дыхание идет без участия газообразного кислорода, также до СО2, Н2О. Процесс свойственен многим сапрофагам, но может идти в тканях высших животных;

3. брожение — процесс, идущий без участия газообразного кислорода, но конечными продуктами являются различные органические соединения: молочная кислота, этиловый спирт, масляная, щавеле-уксусная кислоты.

Разложение органических веществ сложный длительный, но жизненно необходимый процесс для экосистем и биосферы. Живые организмы не выжили бы без примитивных микробов, выполняющих почти все биохимические превращения, разложения органических веществ.

В результате разложения:

1. возвращаются в круговорот потенциальные элементы питания, находящиеся в мертвом органическом веществе.

2. производится пища для последовательного ряда организмов в детритных пищевых цепях.

3. синтезируется и выделяется в среду экзометаболиты.

4. образуются комплексы между органическими и минеральными веществами, что облегчает питание растений.

5. преобразуются инертные вещества Земной поверхности, что приводит к образованию уникальных природных ресурсов — плодородных почв.

6. осуществляется процесс биологического самоочищения во всех природных средах.

Бионакопление. Биологическое накопление (биоаккумуляция) — процесс возможен при двух условиях:

1- при добавлении в круговорот веществ в экосистемах различных соединений извне (например, поллютантов-загрязнителей).

2 - при избирательном концентрировании тех или иных химических элементов, неорганических и органических соединений, необходимых для осуществления обмена веществ. Такое явление часто наблюдается в морских и пресноводных экосистемах.

Явление биологического накопления известно для радионуклидов, пестицидов, тяжелых металлов (в том числе особо опасных: ртути, свинца, кадмия).

Показателем биологического накопления является отношение концентрации определенного вещества в организме и его содержание в окружающей среде.

Установлено, что подавляющее большинство видов, включая почвенных беспозвоночных, способны концентрировать один или несколько химических элементов из среды.

Существуют 2 гипотезы о накоплении тех или иных элементов в живых организмах. Согласно экологической гипотезе, уровень аккумуляции химических элементов у растений и животных должен быть связан с их уровнем в окружающей среде, то есть, чем больше элемента содержится в воде или почвах, тем больше его должно быть в организме. Судя по таблице, это оправдывается не всегда.

Согласно физиологической гипотезе, уровень биоаккумуляции (бионакопления) соответствует потребностям самого организма. Это явление наблюдается гораздо чаще. Далеко не все элементы живые организмы извлекают из среды и используют в своем обмене веществ.

Самоочищение ОПС обладает способностью самостоятельно принимать и перерабатывать некоторую часть отходов и загрязнений, поступающих в среду.

В процессе самоочищения происходит трансформация поступающих поллютантов, разложение и перевод их в неактивное состояние или приемлемое для использования живыми организмами. Самоочищение представляет собой сочетание различных процессов — разложения и биологического накопления. Способностью к нему обладают все элементы биосферы, трансформация элементов происходит в результате совместной деятельности живых организмов и неживой природы. В атмосфере, гидросфере, поверхностном слое литосферы все факторы самоочищения можно разделить на химические, физические, биологические, действия которых достаточно разнообразно и роль в компонентах биосферы различается. Например, в атмосфере незначительна роль биологических факторов, а в почвах именно они имеют наибольшее значение, что определяется наличием или отсутствием микроорганизмов, осуществляющих основную часть работы по очистке ОПС.

Лучше всего изучена способность к самоочищению в водной среде. Загрязнители, попадающие в воду, могут подвергаться разнообразным изменениям, в результате чего эффект их воздействия может ослабевать или усиливаться. Некоторые поллютанты обладают способностью накапливаться в живых организмах и передаваться по пищевым цепям (ртуть, свинец, кадмий, пестициды).

Загрязняющие вещества, попадающие в воду:

· разбавляются при движении вод и при перемешивании водных масс;

· переносятся течениями и живыми организмами;

· концентрируются в виде осадков, взвесей или в донных отложениях, а также в живых организмах;

· усваиваются и используются в обмене веществ фитопланктоном, водной растительностью и водными животными.

Способность к трансформации каждого конкретного вещества зависит от стабильности его соединений в водной среде и от свойств самой среды. К факторам, способным вызвать трансформацию химических веществ, относят температуру воды, рН, инсоляцию, количество растворенного кислорода, водную микрофлору, т.е. водная среда обладает комплексом факторов самоочищения – физических, химических и биологических.

Как правило, трансформация химических веществ приводит к образованию менее токсичных и опасных продуктов. Есть и исключения: образование более опасной метилртути из ртути или возникновение токсичных хлорорганических соединений при избыточном хлорировании воды. Именно стабильность того или иного вещества в окружающей среде определяет возможности водоёма к самоочищению.

Роль биологических процессов в самоочищении водоемов особенно велика при сбросе стоков с большим количеством органических веществ. В процессе минерализации таких стоков принимают участие почти все группы водных организмов, но основную работу выполняют микроорганизмы. Скорость распада органики зависит от температуры воды, содержания кислорода, условий перемешивания воды, концентрации загрязнителя и т.д. Часть растворимых органических соединений потребляется микробами, и этот процесс зависит от физиологической активности и ряда внешних факторов. Существует большая группа микроорганизмов, способная перерабатывать нефть и продукты её переработки, причем химическое окисление их в водной среде составляет не более 30% от биологического.

Интенсивность самоочищения среды зависит от количества ультрафиолетовой радиации, суммы активных температур среды, наличия окислителей и др. В южных широтах процесс самоочищения среды происходит значительно быстрее, чем в северных, зимой — медленнее, чем летом. В доиндустриальную эпоху развития биосферы самоочищение среды полностью уравновешивало ее загрязнение. Однако в процессе развертывания НТР буферность экосистем и биосферы в целом сильно уменьшилась вследствие небывалого накопления в окружающей среде ксенобиотиков, губительно действующих на организмы-детоксикаторы (нейтрализаторы, редуценты). В связи с этим возникла необходимость в четком экологическом прогнозировании степени загрязнения, окружающей среды с учетом ее самоочистительной способности, в разработке организационных, правовых, технологических мер охраны биосферы и ее компонентов от загрязнения.

Лекция 9 (2 часа) Трофическая структура экосистем. Пищевые цепи, трофические уровни. продукция и энергия в экосистемах, экологические пирамиды. Биоразнообразие в живой природе. Биотические связи организмов в биоценозах. Устойчивость, динамика и уязвимость экосистем

В процессе питания энергия и вещество, содержащиеся в организмах одного трофического уровня, потребляются организмами другого уровня. Перенос энергии и вещества от продуцентов через ряд гетеротрофных организмов в процессе питания называется пищевой цепью.

Каждое звено пищевой цепи называется трофическим уровнем. Первый трофический уровень занимают автотрофы, или так называемые первичные продуценты. Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами, третьего – вторичными консументами и т. д. Обычно бывает четыре или пять трофических уровней и редко больше шести.

Трофическая структура сообщества отражает соотношение между продуцентами, консументами (отдельно первого, второго и т.д. порядков) и редуцентами, выраженное или количеством особей живых организмов, или их биомассой, или заключенной в них энергией, рассчитанными на единицу площади в единицу времени. Изображают трофическую структуру при помощи экологических пирамид.

Цепи питания, или трофические цепи подразделяются на пастбищные и детритные.

Пастбищные цепи питания (цепи выедания) начинаются от зеленых растений к растительноядным животным, затем идут хищники (консументы). Пастбищные пищевые цепи распространены преимущественно в сухопутных и морских экосистемах.

Пастбищная цепь: продуценты – консументы.

Примером может служить пастбищная пищевая цепь луга. Начинается такая цепь с улавливания солнечной энергии растением. Кузнечик представляет собой второе звено в этой цепи. Спрятавшаяся среди зеленой травы лягушка ловит кузнечика, но сама служит добычей для такого хищника, как уж. Целый день уж мог бы переваривать лягушку, но еще не успело зайти солнце, как сам стал добычей другого хищника.

Детритные пищевые цепи (цепи разложения) - начинаются с детрита - отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных, который разрушается детритофагами. В наземных экосистемах ими являются многие виды насекомых, червей и др. Крупные детритофаги, к которым относятся некоторые виды птиц (грифы, вороны и т.д.) и млекопитающих (гиены и пр.) называют падальщиками. В водных экосистемах наиболее распространенными детритофагами являются членистоногие - водные насекомые и их личинки, и ракообразные. Детритофагами могут питаться другие, более крупные гетеротрофные организмы, которые могут сами служить пищей для хищников

Детритные цепи наиболее характерны для сообществ континентальных водоемов, дна глубоких озер, океанов, где многие организмы питаются детритом, образованным отмершими организмами верхних освещенных слоев водоема или попавшим в водоем из наземных экосистем, например, в виде листового опада. Распространены детритные цепи также и в лесах, где большая часть ежегодного прироста живой массы растений не потребляется непосредственно растительноядными животными, а отмирает, образуя опад, и разлагается затем сапротрофными организмами с последующей минерализацией редуцентами. Большое значение в разложении отмерших остатков растительного происхождения, особенно древесины, имеют грибы.

Детритная цепь: Детрит → детритофаг → хищник

Пример:

Листовая подстилка → дождевой червь → синица → сова

Мертвое животное → Личинки падальных мух → Травяная лягушка → Обыкновенный уж

Пищевые (трофические) сети. В экологических системах, несмотря на существование ряда параллельных пищевых цепей, например,

травянистая растительность -> грызуны -> мелкие хищники
травянистая растительность -> копытные -> крупные хищники,

которые объединяют обитателей почвы, травянистого покрова, древесного яруса, существуют и другие взаимосвязи. В большинстве случаев один и тот же организм может служить источником пищи для многих организмов и тем самым являться составной частью различных пищевых цепей и жертвой разных хищников. В результате таких взаимосвязей в экосистеме формируются пищевые (трофические) сети - сложный тип взаимоотношений, включающий разные цепи питания. Сложность пищевых цепей многократно возрастает, если принять во внимание, что у членов цепей питания - организмов-хозяев - имеются многочисленные специфические паразиты, которые в свою очередь являются звеньями других цепей. Например, обыкновенная белка является хозяином 50 видов паразитов.

В схеме пищевой сети могут быть показаны только некоторые из многих возможных связей, и она обычно включает лишь одного или двух хищников каждого из верхних трофических уровней. Такие схемы иллюстрируют пищевые связи между организмами в экосистеме и служат основой для количественного изучения экологических пирамид и продуктивности экосистем.

Экологическая пирамида - графические изображения соотношения между продуцентами и консументами всех уровней (травоядных, хищников; видов, питающихся другими хищниками) в экосистеме.

Схематически изображать эти соотношения предложил американский зоолог Чарльз Элтон в 1927 году.

При схематическом изображении каждый уровень показывают в виде прямоугольника, длина или площадь которого соответствует численным значениям звена пищевой цепи (пирамида Элтона), их массе или энергии. Расположенные в определенной последовательности прямоугольники создают различные по форме пирамиды.

Основанием пирамиды служит первый трофический уровень - уровень продуцентов, последующие этажи пирамиды образованы следующими уровнями пищевой цепи - консументами различных порядков. Высота всех блоков в пирамиде одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне.

Экологические пирамиды различают в зависимости от показателей, на основании которых строится пирамида. Типы экологических пирамид:

Пирамида численности отражает численность организмов на каждом трофическом уровне.

Пирамида биомассы отражает общую биомассу организмов на трофическом уровне.

Пирамида энергии показывает величину потока энергии на последовательных трофических уровнях.

1. Пирамида чисел - на каждом уровне откладывается численность отдельных организмов

Пирамида чисел отображает отчетливую закономерность, обнаруженную Элтоном: количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается.

Например, чтобы прокормить одного волка, необходимо по крайней мере несколько зайцев, на которых он мог бы охотиться; чтобы прокормить этих зайцев, нужно довольно большое количество разнообразных растений. В данном случае пирамида будет иметь вид треугольника с широким основанием суживающимся кверху.

Однако подобная форма пирамиды чисел характерна не для всех экосистем. Иногда они могут быть обращенными, или перевернутыми. Это касается пищевых цепей леса, когда продуцентами служат деревья, а первичными консументами - насекомые. В этом случае уровень первичных консументов численно богаче уровня продуцентов (на одном дереве кормится большое количество насекомых), поэтому пирамиды чисел наименее информативны и наименее показательны, т.е. численность организмов одного трофического уровня в значительной степени зависит от их размеров.

2. Пирамида биомасс - характеризует общую сухую или сырую массу организмов на данном трофическом уровне, например, в единицах массы на единицу площади - г/м², кг/га, т/км² или на объем - г/м³

Обычно в наземных биоценозах общая масса продуцентов больше, чем каждого последующего звена. В свою очередь, общая масса консументов первого порядка больше, нежели консументов второго порядка и т.д.

В данном случае (если организмы не слишком различаются по размерам) пирамида также будет иметь вид треугольника с широким основанием суживающимся кверху. Однако и из этого правила имеются существенные исключения. Например, в морях биомасса растительноядного зоопланктона существенно (иногда в 2-3 раза) больше биомассы фитопланктона, представленного преимущественно одноклеточными водорослями. Это объясняется тем, что водоросли очень быстро выедаются зоопланктоном, но от полного выедания их предохраняет очень высокая скорость деления их клеток.

В целом для наземных биогеоценозов, где продуценты крупные и живут сравнительно долго, характерны относительно устойчивые пирамиды с широким основанием. В водных же экосистемах, где продуценты невелики по размеру и имеют короткие жизненные циклы, пирамида биомасс может быть обращенной, или перевернутой (острием направлена вниз). Так, в озерах и морях масса растений превышает массу потребителей только в период цветения (весной), а в остальное время года может создаться обратное положение.

Пирамиды чисел и биомасс отражают статику системы, т. е. характеризуют количество или биомассу организмов в определенный промежуток времени. Они не дают полной информации о трофической структуре экосистемы, хотя позволяют решать ряд практических задач, особенно связанных с сохранением устойчивости экосистем.

Пирамида чисел позволяет, например, рассчитывать допустимую величину улова рыбы или отстрела животных в охотничий период без последствий для нормального их воспроизведения.

3. Пирамида энергии - показывает величину потока энергии или продуктивности на последовательных уровнях.

В противоположность пирамидам чисел и биомассы, отражающим статику системы (количество организмов в данный момент), пирамида энергии отражая картину скоростей прохождения массы пищи (количества энергии) через каждый трофический уровень пищевой цепи, дает наиболее полное представление о функциональной организации сообществ.

На форму этой пирамиды не влияют изменения размеров и интенсивности метаболизма особей, и если учтены все источники энергии, то пирамида всегда будет иметь типичный вид с широким основанием и суживающейся верхушкой. При построении пирамиды энергии в ее основание часто добавляют прямоугольник, показывающий приток солнечной энергии.

Пирамиды энергии позволяют сравнивать энергетическую значимость популяций внутри экосистемы и иллюстрировать количественные отношения в отдельных, представляющих особый интерес частях экосистем, например, в звеньях жертва-хищник или хозяин-паразит.

В 1942 г. американский эколог Р. Линдеман сформулировал закон пирамиды энергий (закон 10 процентов), согласно которому с одного трофического уровня через пищевые цепи на другой трофический уровень переходит в среднем около 10% поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды энергии. Остальная часть энергии теряется в виде теплового излучения, на движение и т.д. Организмы в результате процессов обмена теряют в каждом звене пищевой цепи около 90% всей энергии, которая расходуется на поддержание их жизнедеятельности.

Если заяц съел 10 кг растительной массы, то его собственная масса может увеличиться на 1 кг. Лисица или волк, поедая 1 кг зайчатины, увеличивают свою массу уже только на 100 г. У древесных растений эта доля много ниже из-за того, что древесина плохо усваивается организмами. Для трав и морских водорослей эта величина значительно больше, поскольку у них отсутствуют трудноусвояемые ткани. Однако общая закономерность процесса передачи энергии остается: через верхние трофические уровни ее проходит значительно меньше, чем через нижние.

Таким образом, в экосистемах с повышением трофического уровня происходит быстрое уменьшение энергии, накапливаемой в телах живых организмов. Отсюда ясно почему каждый последующий уровень всегда будет меньше предыдущего и почему цепи питания обычно не могут иметь более 3-5 (редко 6) звеньев, а экологические пирамиды не могут состоять из большого количества этажей: к конечному звену пищевой цепи так же, как и к верхнему этажу экологической пирамиды, будет поступать так мало энергии, что ее не хватит в случае увеличения числа организмов.

Такая последовательность и соподчиненность связанных в форме трофических уровней групп организмов представляет собой потоки вещества и энергии в биогеоценозе, основу его функциональной организации.

Устойчивость, стабильность и уязвимость экосистем

Устойчивость экосистем – это способность экосистем сохранять структуру и нормальное функционирование при изменениях экологических факторов.

1. Наиболее важным для сохранения устойчивости экосистемы является ее цикличность функционирования, т.е. многократное использование биогенных веществ, которое лежит в основе биологического круговорота. Водород, кислород, углерод, азот, форфор и другие биогенные элементы совершают в экосистеме постоянные и многократные миграции между телами организмов и физической средой. Циклическое использование ограниченных по запасам веществ делает их практически неисчерпаемыми. На этом основана бесконечность жизни сообщества и его устойчивое существование, иначе оно бы очень скоро прекратило жизнь, израсходовав все доступные ресурсы.

2. Устойчивость зависит от степени внутренней упорядоченности экосистемы. Чем более сложной является структура экосистемы и чем выше степень ее упорядоченности, тем более устойчивой она оказывается. Устойчивость экосистемы находится в прямой зависимости от того, насколько много в нем компонентов (видов), способных поддержать ее функционирование при изменении тех или иных условий окружающей среды или внутри сообщества.

3. Видовое разнообразие – также один из факторов устойчивости экосистем. к неблагоприятным факторам среды. Разнообразие обеспечивает как бы подстраховку, дублирование устойчивости. Чем разнообразнее видовой состав населения экосистемы, тем больше возможностей сохранить его устойчивость с помощью тех или иных форм перекрывающихся связей. Например, малочисленный вид при неблагоприятных условиях для другого широко представленного вида может резко увеличить свою численность и таким образом заполнить освободившееся пространство (экологическую нишу), сохранив экосистему как единое целое.

Таким образом, увеличение степени разнообразия является основой того, что экосистемы с более длинными цепями питания формируют более интенсивный круговорот веществ и, следовательно, обладают повышенной устойчивостью благодаря возможностям саморегуляции (гомеостаза). Экосистемы, бедные видами, неустойчивы.

4. Одним из условий поддержания устойчивости экосистем является жизненное пространство особей – это средняя площадь или объем, приходящие на одну особь. В каждом сообществе много популяций разных видов, а территория может прокормить и укрыть лишь определенное количество видов.

Выделяя активные вещества в почву, воздух, каждая особь растения таким путем ограничивает свою территорию от других особей и видов. Животные обычно метят и защищают свою территорию, необходимую им для обеспечения питанием, мест защиты и выращивания потомства.

Нарушение приспособительного типа размещения видов в сообществе при увеличении численности, повышении плотности на единицу объема, приводит к потери устойчивости экосистемы.

5. Антропогенное воздействие также влияет на устойчивость экосистем. Потенциальная устойчивость экосистем Росси практически всюду в той или иной степени снижена за счет замены коренных типов экосистем менее устойчивыми антропогенными производными (агроценозы или вторичными лесами) или полным уничтожением при застройке и урбанизации. В районах с наиболее комфортными условиями жизни человека и хозяйственного развития практически исчерпаны возможности за счет ресурсов природной среды. Снижение устойчивости экосистем повышает их уязвимость к антропогенной трансформации, что крайне опасно для сохранения здоровья населения.

Гомеостаз. Природные экосистемы (например, лесные, степные) существуют в течение длительного времени и обладают определенной стабильностью, для поддержания которой необходима сбалансированность потоков вещества и энергии в процессах обмена между организмами и окружающей средой. Однако абсолютной стабильности в природе не бывает. Поэтому стабильность состояния природных экосистем является относительной, показателем которой может служить, например, периодически изменяющаяся численность популяций разных видов в экосистеме: численность одних видов увеличивается, других – уменьшается. Такое динамически равновесное состояние, или состояние подвижно-стабильного равновесия экосистем, называют гомеостазом (от греч. гомео – тот же; стазис – состояние).

Ключевой для понимания гомеостаза экосистем термин «подвижно-стабильное равновесие» означает, что устойчивое функционирование экосистем в изменяющихся условиях среды возможно именно вследствие того, что экосистема находится в квазиравновесном состоянии, принципиально отличающимся от понимания состояния равновесия в физике. Чтобы понять это различие, кратко рассмотрим составные части этого термина.

а) Стабильность означает, что природные экосистемы существуют в течение длительного времени и обладают определенной относительной стабильностью во времени и пространстве. Заметим, что особенностью искусственных (техногенных, созданных человеком) экосистем является то, что человек сам должен поддерживать равновесие в этих экосистемах, т.е. управлять процессами их функционирования, например, замена ила в региональных, муниципальных или производственных водоочистных сооружениях, в которых культивируются колонии бактерий, пожирающих, сорбирующих, разлагающих загрязняющие вещества в сточных водах.

Одним из важнейших факторов сохранения стабильности экосистем — разнообразие составляющих ее живых организмов, то есть биоразнообразие растений, животных и микроорганизмов. Это связано с тем, что при малом числе видов вся нагрузка ложится на незначительное их число, и в силу случайных причин эти виды могут исчезнуть. С увеличением числа видов внешнее воздействие в виде абиотических, биотических факторов распространяется более равномерно.

б) Подвижность означает изменчивость свойств (например, численности популяций) и структуры экосистемы, т.е. совокупности видов. Последовательные изменения в состоянии равновесия в природных экосистемах отражаются в смене видов (например, в процессе сукцессии), сопровождающейся и изменениями в структуре и свойствах трофических цепей (сетей). Разнообразие видов формирует сукцессию, обеспечивая заполненность пространства жизнью и увеличивая степень замкнутости биогеохимического круговорота в экосистеме.

Следовательно, гомеостатичность – общее свойство всех экосистем, зависящее от эффективности комплекса адаптационных механизмов, действующих как на уровне отдельных видов, так и на уровне экосистемы в целом. Гомеостатичность зависит от возраста и видового разнообразия экосистем и поэтому сильно различается как у разных сообществ, так и в естественных и искусственных экосистемах.

Уязвимость экосистем — возможность изменения структуры или функции экосистемы при внешних воздействиях. В зависимости от интенсивности и продолжительности воздействия экосистема может либо разрушаться либо адаптироваться, либо вернуться к исходному состоянию.

Уровень устойчивости экосистем колеблется в широких пределах. Коренные экосистемы имеют наибольшую устойчивость. Например, хвойный 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, создаваемые 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 (направленной и непрерывной последовательности изменений видового состава организмов в данном местообитании). 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, что является следствием очень скудного видового разнообразия как флоры (все сорняки подавляются гербицидами), так и фауны («вредных» насекомых мы травим инсектицидами). Упругая устойчивость проявляется, например, в резких вспышках численности конкретных видов вредителей. Подобные вспышки в естественной природе наблюдаются очень редко. 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?

Лекция 10, 11 (4 часа) Основные концепции взаимодействия общества и природы в ХХI веке. Антропоцентризм и экоцентризм. Глобальные экологические проблемы: парниковый эффект, проблемы озонового слоя, кислотные осадки, демографическая и продовольственная проблемы, сокращение биоразнообразия

Основные концепции взаимодействия общества и природы в ХХI веке

1. Концепция коэволюции (совместной эволюции) – подразумевает совместное сосуществование, взаимодействие и развитие природы и человека, основанное на включении жизнедеятельности человека в естественные и стабильные природные циклы. Признаётся, что удовлетворение всё возрастающих экономических потребностей должно согласовываться с возможностями биосферы и состоянием природных ресурсов.

2. Концепция «автотрофности» человечества, выдвинутая В.И.Вернадским (практически целиком антропоцентристская), имеет в виду создание искусственной цивилизации и искусственных экосистем, вообще независимых от состояния биосферы и её «прихотей». Предполагается, что существование человека должно определяться им же созданными условиями жизни (т.е. искусственными, а не природными).

3. Концепция «экотопии», лежащая в основе программ партий «зелёных» во многих странах. Её основное положение – «назад к природе», включая отказ от научно-технического прогресса, свёртывание промышленности и ориентация на натуральное сельское хозяйство. В различных вариантах концепции много внимания уделяется не прогрессу человечества, а нравственному, социальному, духовному совершенствованию личности.

4. Концепция ноосферы. В.И.Вернадский впервые указал на громадную преобразующую роль человека в жизни планеты, явно превосходящую по масштабам и последствиям деятельность любых представителей органического мира. Поэтому он считал, что воздействие человека на биосферу приведёт к созданию совершенно иной среды обитания, охватывающего в разной степени всю поверхность земного шара – такая трансформированная биосфера получила название ноосферы.

Концепция трансформации биосферы в ноосферу – ещё одна из теоретически возможных систем взаимоотношений человеческого общества и природы. Существует два понимания сущности ноосферы: 1) «сфера господства разума» (по Фихте) и 2) «сфера разумного воздействия человека и природы» (по Вернадскому и Де Шардену). В.И.Вернадский развивал данную концепцию как растущего осознания усиливающегося вторжения человека в глобальные естественные процессы и ведущего ко всё более взвешенному и целенаправленному контролю человека над природой. Именно человеческая мысль стала мощнейшей геологической силой, преобразующей лик Земли; человек, опираясь на свой разум, технологическую мощь и социальную организацию, стал активно изменять окружающий мир.

Однако ограниченность концепции ноосферы именно в том, что человек в ней рассматривается как разумное существо (в широком понимании), в то время как общество и отдельные индивидуумы в целом редко ведут себя разумно по отношению к природе. Глобальный экологический кризис ХХ века однозначно демонстрирует опасность потребительского отношения к природным ресурсам и естественным возможностям биосферы.

В ХХ веке человек старается получить от природы максимум, в то время как биосфера в своём развитии стремится не к наибольшей продуктивности, а к максимальной устойчивости. И по своему предназначению и роли в органическом мире человек должен не бороться с природой и не покорять её, а взаимодействовать с ней, поскольку сам является её составной частью и сохраняет зависимость как биологический вид. Уничтожая среду своего обитания, человек тем самым создаёт невыносимые условия и для своего существования. Отношения с природой должны строиться на достижении гармонии, а не на её покорении.

Возможны два крайних сценария будущего:

1. Человечество не сможет задержать приближения глобальной экологической катастрофы. Развитие мирового сообщества будет идти стихийно, и к концу ХХI века окончательная деградация биосферы и замена её техносферой станет неизбежной. Не исключено, что численность человека на планете резко сократится в силу естественных причин.

2. В течение ближайших десятилетий человечество сможет найти выход из глобального экологического кризиса или существенной его замедлить. Этого можно достичь при условии политического взаимопонимания всех народов, контроля за рождаемостью, роста сельскохозяйственного производства и решения продовольственной проблемы.

Именно со вторым вариантом связан переход от биосферы к ноосфере – от природопокорительской идеологии к принципиально новому экологическому мышлению, направленному на полноценную совместную эволюцию человеческого общества и биосферы.

5. Наиболее продуманной и общепризнанной является концепция устойчивого развития, основанная на принципах рационального и разумного природопользования, согласованности экологических и экономических интересов жителей Земли. Термином «устойчивое развитие» обозначается социально-экономическое и экологическое развитие общества, направленное на разумное удовлетворение постоянно возрастающих потребностей людей при одновременном улучшении качества жизни ныне живущих и будущих поколений, на бережное использование ресурсов планеты и сохранение природной среды. Экономическое и социальное развитие общества не должно наносить непоправимого ущерба окружающей человека среде. Иными словами, устойчивое развитие – это развитие общества на базе экологически целесообразного природопользования.

На международной конференции в Рио-де-Жанейро (1992 г.) устойчивое развитие выдвинуто в качестве основной задачи на конец ХХ – начало ХХI века. Эта концепция предполагает:

1) Снижение материалоёмкости и энергоёмкости производства, максимальное сокращение отходов, снижение уровней выбросов загрязняющих веществ, расширение использования возобновляемых и неисчерпаемых ресурсов, включая альтернативные источники энергии.

2) Ограничение воздействия человека на биосферу до уровня возможностей её естественного воспроизводства и способности к самоочищению; поддержание биологического разнообразия на планете как основного фактора устойчивости биосферы.

3) Переход в экономике к ценообразованию, учитывающему экологические критерии (прежде всего, цену ущерба, наносимого окружающей среде) и стимулирующему использование новых экологически безопасных ресурсо- и энергосберегающих технологий.

4) Содействие устойчивому интенсивному ведению сельского хозяйства и сельских районов: повышение продуктивности сельскохозяйственных культур, выведение новых сортов и пород, улучшение питательных свойств растительной и животной продукции, использование комплексных и экологически безопасных методов борьбы с вредителями и болезнями.

5) Передача передовых технологий развивающимся странам.

6) Установление единых экологических стандартов.

7)Контроль за соблюдением всеми государствами единых правил экологического поведения, формирование экологического мышления, создание системы всеобщего экологического образования.

8) Совместное решение глобальных и региональных экологических проблем, свободный обмен информацией.

Судя по всему, человечеству не обойтись без снижения потребления энергии, экономичного ведения промышленного производства, сокращения добычи и неэффективного использования важнейших полезных ископаемых. Необходимо осознание демографических проблем, изменение отношения к животному и растительному миру планеты.

Концепция устойчивого развития приобрела достаточно много сторонников в мире. Даже люди, далёкие от проблем экологии и не интересующиеся политикой, не могут не признавать, что представлена логичная программа дальнейшего существования человечества. Переход к устойчивому развитию призван обеспечить сбалансированное решение социально-экономических проблем параллельно с сохранением благоприятной для человека окружающей среды.

Концепция перехода Российской Федерации к устойчивому развитиюпринята в 1996 г. В ней отмечено, что на начальном этапенеобходимо строго соблюдать научно обоснованные и законодательно оформленные экологические ограничения на хозяйственную деятельность – даже в условиях сложнейшего экономического положения. В дальнейшемдолжны быть разработаны программы оздоровления окружающей среды, нормализована обстановка на экологически неблагополучных территориях. В перспективе улучшение экологической обстановки произойдет за счёт рационального использования богатейшего природно-ресурсного потенциала России.

Движение человечества к устойчивому развитию – один из путей к формированию предсказанной В.И.Вернадским ноосферы, где мерой национального и индивидуального богатства станут духовные ценности и знания Человека, живущего в гармонии с Природой.

Антропоцентризм и экоцентризм

На современном этапе развития человеческого общества сложились две основные формы взаимодействия природы и человеческого общества: экономическая и экологическая, и соответственно существуют два разных подхода к взаимоотношениям человека и окружающей среды: антропоцентристский и экоцентристский.

Экономическая форма – потребление природных ресурсов, использование их для удовлетворения человеком своих постоянно растущих материальных и духовных потребностей. Как правило, характеризуется бездумным и нерациональным природопользованием.

Экологическая форма предусматривает охрану окружающей природной среды (ОПС) с целью сохранения человека как биологического и социального организма и его естественной среды обитания.

В экономической форме природа рассматривается как источник самых разнообразных ресурсов: производственных, сельскохозяйственных, здравоохранительных, эстетических, научных, рекреационных и др.

Человек, потребляя и используя природные объекты и ресурсы для решения своих хозяйственных задач, одновременно изменяет и природную среду, которая начинает негативно воздействовать на самого человека. Хозяйственное давления человека на природу постоянно усиливается, негативное воздействие на природу проявляется в трёх основных направлениях:

- загрязнение ОПС; - истощение природных ресурсов,

- разрушение природных экосистем.

Необходимость учёта взаимодействий человека и природы выражается в следующем:

· согласование геологических, биологических и экономических циклов;

· оптимизация природных и производственных материальных и энергетических потоков;

· обеспечение единства экологических ограничений в оценке деятельности предприятий;

· неистощимое рациональное природопользование;

· выделение определённой части валового национального продукта на охрану природы с целью стабилизации экологической ситуации и улучшения качественного состояния окружающей среды;

· опережающий задел эколого-экономических знаний.

В современной экологии часто сталкиваются два различных подхода к проблеме взаимоотношений Человека и Природы.

Согласно первому, эти взаимоотношения строятся по правилам, которые устанавливает сам человек. Овладевая законами природы, подчиняя их своим интересам, опираясь на свой разум, технологическую мощь и социальную организацию, он считает себя свободным от давления большинства тех сил, которые действуют в живой природе. Законы природы не могут и не должны мешать научно-техническому и социальному прогрессу человечества. Возникшие проблемы окружающей среды при этом представляются только как следствие неправильного ведения хозяйства. Считается, что все проблемы могут быть устранены путём технологических усовершенствований и модернизации производственных процессов.

Этот подход называют антропоцентристским (технологическим), ставящим человека и его возможности выше экологических проблем. Он характерен для многих политиков, экономистов, хозяйственников и представляется естественным для большинства населения. Антропоцентризм в экологии – воззрение, согласно которому:

1) современное человечество в целом свободно от биологических законов, действующих в живой природе»,

2) решение возникающих экологических проблем может быть сведено к технологическим мероприятиям по охране окружающей среды.

Согласно другому подходу, человек как биологический вид в значительной мере остаётся под контролем природных законов. Развитие человеческого общества рассматривается как часть эволюции природы, в которой сохраняют свою силу законы экологических пределов, необратимости эволюции и естественного отбора. Возникновение проблем в ОПС чаще всего определяется антропогенными нарушениями регуляторных функций биосферы, которые не могут быть восстановлены полностью или изменены к лучшему только технологическим путём. Прогресс человечества ограничивается экологическим императивом – необходимостью подчиняться природным закономерностям.

Такой экоцентристский подход ставит на первое место не человека как один из многих биологических видов на планете, а состояние и устойчивость живой природы и биосферы. Этот подход характерен лишь для сравнительно небольшого круга профессионалов, воспринявших экологическую ориентацию глобальных проблем человечества, а также для стихийного восприятия многих людей, стремящихся к улучшению условий существования. Экоцентризм – это воззрение, согласно которому:

1) научно-технический прогресс не уменьшает зависимости человека от законов природы;

2) решение экологических проблем требует перестройки всех сфер поведения и деятельности людей с целью сохранения действующих средообразующей и средорегулирующих функций биосферы.

3) Выбор между двумя подходами или компромисс между ними во многом определяет стратегию дальнейшего развития человеческого общества.