Экологические системы. 
Общая экология и экология транспорта

Живые организмы существуют в окружающей природной среде.

Среда — с экологических позиций это тела и явления, с которыми организм вступает в прямые или косвенные взаимоотношения.

Организмы совместно со средой их обитания составляют единые жизненные системы. Совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, закономерно взаимосвязанных друг с другом, называется экологической системой. Экосистемы по своим масштабам ранжируются от первого — глобального уровня до пятого — микроуровня (рис. 1.1). Экосистемы более высокого ранга включают в себя экосистемы низшего ранга.

Рис. 1.1. Экосистемы разных уровней организации на Земле.

Биосфера является экосистемой высшего (глобального) уровня и представляет собой часть твердой, водной и газовой оболочек Земли, в которой обитают живые организмы. Термин «биосфера» предложил австрийский геолог Э. Зюсс. Однако его понимание биосферы сводилось к совокупности всех живых организмов на Земле. Биосфера, по Зюссу, есть пространственно ограниченная совокупность организмов^[1].

Биосфера как глобальная экосистема представляет собой совокупность всех экосистем Земли. Она тесно связана с внешней космической средой. Само строение биосферы, ее структура и эволюция были предопределены начальными условиями, которые существовали до современного состояния Вселенной. Потоки космической энергии создают на Земле условия, без которых жизнь не смогла бы зародиться в прошлом и сохраниться до настоящего времени.

Космические излучения, и особенно энергия Солнца, оказывают постоянное воздействие на все явления на Земле. Прослеживается четкая связь между циклами солнечной активности и процессами в биосфере, которая получила научное подтверждение. Первым это обосновал А. Л. Чижевский, утверждая, что Солнце определяет ритм большинства биологических процессов на Земле. В периоды появления хромосфериых вспышек на Солнце на нашей планете возникают эпидемии, усиливается рост растений, резко возрастает численность сельскохозяйственных вредителей и микробов.

Биосфера находится в зависимости от времени обращения Земли, Луны и Солнца. В связи с этим выделены циклы: 24 часа — время оборота Земли вокруг своей оси; 28 часов — время оборота Солнца вокруг своей оси; 1 год — время оборота Земли вокруг Солнца; 11,1 года — средний период солнечной активности и другие, более длительные циклы. Космические ритмы оказывают влияние на жизнедеятельность всех обитателей Земли.

Учение В. И. Вернадского о биосфере. Большой вклад в учение о биосфере внес академик В. И. Вернадский. Он понимал биосферу как сферу единства живых организмов и неживой природы. В качестве структурных компонентов биосферы Вернадский изначально выделял семь разнообразных, но геологически взаимосвязанных частей: живое вещество, биогенное вещество, косное вещество, биокосное вещество, радиоактивное вещество, рассеянные атомы, вещество космического происхождения. В настоящее время чаще всего различают три типа веществ: живое, косное и биокосное.

Живое вещество — вся совокупность живых организмов (включая человека), которая рассматривается как однородное живое вещество. Живое вещество как биогеохимический фактор количественно выражается в элементарном химическом составе, массе и энергии.

Косное вещество — продукты, образующиеся без участия живых организмов (мертвые небиогенные горные породы и минералы).

Биокосное вещество — вещество, возникающее в результате совместной деятельности организмов и абиогенных процессов (почва, нефть, торф, известняки и др.).

Центральное место в учении о биосфере отводится живому веществу, особенности которого заключаются в следующем:

• — химические реакции протекают в живых организмах с удивительной упорядоченностью и в менее жестких условиях, чем вне организмов;
• — живое вещество способно заполнить собой все возможное пространство путем «растекания», реализуемого в двух формах: пассивной (рост и размножение организмов) и активной (направленное движение организмов);
• — живое вещество характеризуется значительно большим разнообразием, чем любое косное вещество, и постоянно обновляется. Оно проводит «геологическую работу» — увеличивает биомассу, меняет среду обитания, преобразовывает физико-химические параметры биосферы;

в биосфере живое вещество представлено в виде дискретных особей, но никогда не существует в виде обособленных организмов;

— характерной для живого вещества является способность к эволюционному процессу.

Живое вещество — краеугольный камень учения о биосфере В. И. Вернадского. Живые организмы создают в биосфере кругообороты важнейших биогенных элементов, которые попеременно переходят из живого вещества в неорганическую материю. В. И. Вернадский сделал вывод, что жизнь на нашей планете возникла вместе с формированием Земли, а не в более поздние сроки, а также не была занесена на нее извне. Для всего живого свойственна очень высокая функциональная активность, которая связана со способностью к неограниченному развитию и количественному росту, названная В. И. Вернадским «напором жизни».

Основными свойствами биосферы являются:

• — централизация (в центре — все живые организмы);
• — открытость (для получения энергии извне);
• — саморегуляция (способность восстановления исходного состояния);
• — разнообразие (сред, природных зон, видов живых организмов);
• — непрерывность протекания процессов (за счет кругооборота веществ).

Концепция В. И. Вернадского до сих пор остается наиболее цельным, завершенным, основополагающим учением, в котором он описал процесс эволюции биосферы. Им были сделаны важные выводы о том, что каждый организм может существовать только в тесной взаимосвязи с другими организмами и неживой природой; развитие живых организмов приводит к глубоким изменениям на Земле. В. И. Вернадский отмечал, что биосфера не только «работает и изнашивается», но и развивается в процессе работы, самоусовершенствуется, обогащается информацией.

Согласно учению В. И. Вернадского эволюция живого вещества происходит в сторону усложнения уровня организации, уменьшения прямой зависимости от среды обитания. Мировой эволюционный процесс приведет к перестройке биосферы в интересах природы и человечества — образованию ноосферы (сферы разума). Ученый подчеркивал глобальный характер единства человека и природной среды.

Учение В. И. Вернадского о биосфере и ноосфере признано ключевой, центральной концепцией современного естествознания. Однако в настоящее время выявился противоречивый характер взаимодействия человека и природы, который при чрезмерном вмешательстве человека в природную среду может привести к глобальному экологическому кризису и разрушению биосферы.

Устойчивость биосферы. Она основана на саморегуляции всех составляющих ее частей и процессов за счет способности возвращаться в исходное состояние после любых возмущающих воздействий. Биосфера очень устойчива: она существует примерно 3,8 млрд лет. За время существования на биосферу оказывалось мощное космическое и внутрипланетарное воздействие. В частности, за последние 570 млн лет отмечено шесть глобальных катастроф, вызвавших исчезновение многих видов живой природы. Но биосфера всегда восстанавливала свое состояние и продолжала развиваться.

Важнейшую роль в поддержании жизни играет магнитное поле Земли, силовые линии которого окружают земной шар и образуют вокруг него магнитосферу, которая защищает живые организмы от космического излучения, опасного тем, что способно за относительно короткий срок разложить на ионы и электроны весь воздух атмосферы, а следовательно, уничтожить жизнь на планете. Защитником жизни выступает и образованный автотрофными организмами озоновый слой атмосферы, который препятствует проникновению коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца к поверхности Земли.

Устойчивость биосферы поддерживается и непрерывно протекающими процессами на Земле. Одним из них является участие организмов в разложении остатков растительной биомассы. Ткани и органы отмерших растений и животных под воздействием организмов-редуцентов распадаются. Вещества, которые входили в состав организмов, вновь вовлекаются в круговорот веществ.

Еще один способ повышения устойчивости биосферы заложен в высоком видовом разнообразии живых организмов. В биосфере действуют сложные системы обратных связей и зависимостей.

Устойчивость поддерживается также неизменностью кругооборотов веществ в биосфере. Кругообороты оставались стабильными, несмотря на фундаментальные процессы: накопление кислорода, связывание инертного азота, осаждение кальция, образование кремнистых сланцев, накопление фосфора и г. д.

Отсюда следует вывод, что стабильное устойчивое состояние биосферы обусловлено в первую очередь деятельностью самого живого вещества, которое, согласно В. И. Вернадскому, «как бы само создает себе область жизни».

Одна из основ устойчивости биосферы заключена в наличии резервов при любых видах воздействий природной среды на организмы. Такие резервы и возможности их реализации заложены на всех уровнях организации — от молекулярного до биосферного.

Однако существует и предел устойчивости биосферы, выход за который грозит серьезными последствиями. Это подтверждается действием правила одного процента: изменение энергетики природной системы в среднем на 1% выводит последнюю из состояния гомеостаза (равновесия). Данное правило нашло свое подтверждение при проведении исследований в области глобального климата и других геофизических и биофизических процессов. Так, все крупномасштабные природные явления (извержения вулканов, мощные циклоны, процесс глобального фотосинтеза и т. п.), как правило, имеют суммарную энергию, не превышающую 1% энергии солнечного излучения, достигающего поверхности Земли. В случаях перехода энергетики процесса за этот порог возникают резкие аномалии — климатические отклонения, перемены в характере растительности, крупные лесные и стенные пожары, наводнения. Поэтому хозяйственная деятельность человека должна строиться с учетом сохранения устойчивого состояния биосферы.

Рассмотрим подробнее структурные компоненты биосферы.

Биогеоценозы выделяют в составе биосферы как экосистемы макроуровня. Распределение биогеоценозов на земном шаре зависит от условий их существования. В связи с этим различают следующие основные биогеоценозы мира (по Ю. Одуму): моря, эстуарии (устья рек, где пресная вода вливается в соленую морскую и перемешивается с ней приливами) и морские побережья, ручьи и реки, озера и пруды, пресноводные болота, пустыни, тундру, травянистые ландшафты, леса.

Термин «биогеоценоз» предложил В. Н. Сукачев, который понимал под ним «совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений — атмосферы, горной породы, гидрологических условий, растительности, животного мира, мира микроорганизмов и почвы»^[2]. Для этой совокупности характерны специфические взаимодействия компонентов, их особая структура и определенный тип обмена веществ и энергии (рис. 1.2).

Одним из важнейших свойств биогеоценоза является взаимосвязь и взаимозависимость его составляющих. Компоненты неживой природы воздействуют друг на друга (испарение воды из почвы и с водных поверхностей увеличивает влажность атмосферы, выпадение осадков пополняет содержание влаги в почве и водных объектах, от состава почвы зависит ее отражательная способность, которая влияет на прогреваемость атмосферы и т. д.). По замкнутому циклу происходит и взаимодействие компонентов живой природы (живые организмы становятся друг для друга либо пищей, либо средой обитания, либо фактором смертности; микроорганизмы являются возбудителями заболеваний и т. д.). Между компонентами живой и неживой природы также осуществляется постоянный обмен (почва представляет собой среду обитания животных, растений и микробов, атмосфера необходима для их дыхания, разлагающиеся остатки живых организмов минерализуются и т. д.). На уровне биогеоценоза происходят все процессы кругооборота веществ и потока энергии в биосфере.

Рис. 1.2. Схема взаимодействия компонентов в биогеоценозе Сообщество и биотоп. Сравнительно мелкие взаимодействующие между собой группы животных и растений разных видов называются сообществом, или биоценозом. Они входят в состав биогеоценозов. Среда обитания биоценозов представляет собой биотоп (иначе — экотоп). Примерами сообществ могут служить конкретные лес, луг, болото, пруд, поляна, заселенные сравнительно небольшим числом видов живых организмов. Отдельные виды, относящиеся к экологическим доминантам, могут оказывать значительное влияние на среду обитания других видов в сообществе.

Важным признаком биоценозов является наличие границ между ними, часто нечетко выраженных. Между соседними биоценозами образуется пограничная зона с особыми условиями. В этой зоне увеличиваются разнообразие и плотность живых организмов. Такое явление называют краевым эффектом.

Популяция и стация. Совокупность особей одного вида с общим генофондом, занимающая ограниченное пространство в течение длительного времени, образует популяцию. Внутри популяции осуществляются взаимосвязи между особями (занятие территории, забота о потомстве, агрессивность и др.), которые носят приспособительный (адаптивный) характер.

Основными характеристиками популяции являются плотность (число особей на единицу площади), рождаемость, смертность, возрастной состав, соотношение особей разного пола, характер распределения в пределах территории (равномерный, случайный, скученный) и тип роста (плавный, циклический, нерегулярный, резкий). У высших животных существует сложная система подчинения — иерархическая структура популяций — с выделением господствующих особей — доминант первого, второго и других порядков.

Абсолютно стабильных по численности популяций в природе нс существует. С течением времени происходит рост или падение численности, зависящие от изменения условий среды (температуры, влажности, количества корма, наличия конкурентов и хищников, инфекций и др.). Такие колебания численности не должны быть слишком масштабными, поскольку существуют верхний и нижний пределы для размеров популяции.

Популяции занимают некоторые части пространства, обладающие необходимыми неорганическими условиями для их существования, которые называются стациями. Таким образом, стация — место обитания популяции, используемое либо в ограниченное время (сезонно), либо для определенных целей (питания, размножения, переживания неблагоприятных ситуаций).

От понятия «стация» следует отличать понятие «экологическая ниша». Экологическая пиша — это совокупность всех факторов среды, в пределах которых возможно существование вида в природе. Она представляет собой место в биогеоценозе, которое занимает вид, не конкурируя с другими видами за источник энергии.

В природе действует правило заполнения экологических ниш — пустующая экологическая ниша всегда естественно заполняется. Обычно экологическая ниша занята одним видом. Она включает химические, физические, физиологические факторы и факторы живой природы. Таким образом, экологическая ниша вида зависит не только от наличия неорганических условий обитания, как стация, но в не меньшей степени от факторов живой природы. Местообитание может быть одним и тем же для многих видов организмов, но ниша — у каждого своя. Например, местообитанием рыб является река, но нишей для карасей являются заводи, а для щук — проточная часть. На размеры экологической ниши большое влияние оказывают виды-конкуренты, претендующие на одну и ту же нишу или ее элементы. Экологические ниши видов изменяются в пространстве с течением времени. Например, личинки и жуки майского хруща, головастики и взрослые лягушки имеют разную среду обитания.

На разных территориях одни и те же экологические ниши могут занимать разные, хотя и сходные виды. В то же время один и тот же вид в разных биоценозах использует разные ниши. Это зависит от наличия пищи и конкурентов.

Стабильность экосистем. Естественные экосистемы существуют в течение длительного времени и находятся в состоянии равновесия с климатическими, биогеохимическими условиями и окружающими их другими живыми организмами, т. е. для них характерна определенная стабильность во времени и пространстве. Стабильность обеспечивается за счет сбалансированности потоков вещества и энергии и процессов обмена веществ между организмами и окружающей средой. Абсолютной стабильности экосистем быть не может — в отдельные периоды наблюдаются отклонения в ту и в другую сторону, которые в целом не выводят систему из равновесия. Способность системы возвращаться и поддерживать равновесное состояние называется гомеостазом. С помощью механизма гомеостаза регулируется численность популяций — она может возрастать до некоторого уровня, затем ограниченность пищевых ресурсов приостанавливает рост, и численность популяции начинает снижаться.

Различают локальную и глобальную устойчивость экосистем, отражающую их способность противостоять внешним воздействиям. Под локальной устойчивостью понимают возвращение системы в состояние равновесия после незначительных внешних воздействий, например восстановление биоценоза после весеннего речного наводка. Глобальная устойчивость характерна для систем, способных восстанавливать свое равновесие после сильных возмущений, например восстановление разрушенной экосистемы после извержения вулкана.

В естественных биогеоценозах гомеостаз поддерживается тем, что они открыты для внешних воздействий — к ним поступают солнечная энергия, вещества. В экосистемах, созданных человеком (антропогенных), равновесие с течением времени нарушается и для поддержания гомеостаза требуется постоянное вмешательство людей.

В экосистемах, несмотря на присущее им свойство стабильности, идет процесс саморазвития сообществ — экологическая сукцессия. Под воздействием внешних сил один биогеоценоз сменяется другим, более приспособленным к изменившимся условиям. Так, вырубка леса приводит сначала к появлению травы, затем кустарников, позже деревьев с соответствующим животным миром. Цепь сменяющих друг друга биоценозов называется сукцессионным рядом.

Различают первичные и вторичные сукцессии. Первичные сукцессии возникают на ранее свободных от почвы грунтах, например постепенное зарастание сыпучих песков, каменистых россыпей, отмелей; заселение скал. Вторичные появляются на местах разрушенных сообществ, где почва и некоторые живые организмы сохранились, например заселение растительными и животными организмами лесов после пожаров, заброшенных сельскохозяйственных земель, вырубок и др.

Сукцессия представляет собой не только изменение живых организмов — биоты, но и всего комплекса неорганических и органических условий. В природе действует закон сукцессионного замедления, согласно которому по мере усложнения сменяющих друг друга биоценозов в равновесных системах проявляется тенденция к большей стабильности и замедлению их смены. Длительность сукцессии составляет от нескольких десятков до миллионов лет.

• [1] См.: Баландин Р. К. Вернадский: жизнь, мысль, бессмертие. 2-е изд., доп. М.: Знание, 1988.
• [2] Сукачев В. II. Структура биогеоценозов и их динамика // Структураи формы материи. М., 1967. С. 575.