Взаимодействия в экологических системах. Принципы формирования экосистем

Между группировками организмов и абиотической средой экосистемы существуют тесные материально-ресурсные связи и взаимодействия. Эти связи чрезвычайно разнообразными и сложными, но за счет формирования системы "живые организмы - абиотической среде", в экосистемах потоки вещества уходят в круговорот.

 

Для поддержания такого круговорота в экосистеме, нужен определенный запас неорганических веществ и наличие таких экологических групп организмов:

 

- Продуцентов - автотрофных организмов, образующих органическое вещество из неорганического. К продуцентов относятся высшие растения, фитопланктон и некоторые виды бактерий;

 

- Консументов - гетеротрофных организмов, которые питаются органическим веществом или автотрофами, они не способны самостоятельно образовывать органическое вещество из неорганического. К консументов относятся все животные, ряд микроорганизмов, паразитические растения;

 

- Редуцентов - сапротрофных организмов, которые питаются мертвым органическим веществом, переводя ее снова в неорганические соединения. К в

 

этой группы организмов относятся бактерии и низшие грибы, некоторые насекомые и их личинки, представители беспозвоночных.

 

Все названные группы организмов в любой экосистеме тесно взаимодействуют между собой, влияя на потоки энергии и вещества, их совместное функционирование поддерживает структуру и целостность биоценоза, существенно влияя на абиотической среде.

 

В пределах экосистем осуществляется кругооборот вещества, тогда как поток энергии является однонаправленных. Следует отметить, что в различных экосистемах степени замкнутости биологического круговорота вещества неодинаковы. Например, для леса, озера или степи круговорот вещества сбалансирован и характеризуется высокой степенью замкнутости, для косогора и рек характерно интенсивное вынесения вещества за пределы экосистемы, поэтому стабильность их поддерживается за счет поступления вещества извне.

 

В экосистемах компоненты и элементы, которые ее составляют, дополняют друг друга и взаимно приспособлены, что обеспечивает постоянство самой системы во времени. В пределах экосистемы обеспечивается малый круговорот вещества.

 

Биологический круговорот вещества или малый круговорот вещества можно представить следующим образом: из почвы и атмосферы неорганические вещества попадают в живые организмы с соответствующими изменениями их химической формы в процессе фотосинтеза, возвращение их в грунт и атмосферу в процессе жизнедеятельности организмов и с мертвыми остатками организмов и повторное попадание их в живые организмы после процессов деструкции и минерализации под влиянием редуцентов. Такое представление о биологический круговорот вещества соответствует биогеоценотический уровню.

 

Следует отметить, что правильнее говорить о биологический круговорот химических элементов, а не веществ, поскольку на разных стадиях круговорота вещества химически видоизменяются.

 

По некоторым данным, ежегодная величина биологического круговорота зольных элементов (К, Са, ...) в системе почва-растение значительно превышает величину годового геохимического стока этих элементов.

 

Между организмами в экосистеме существуют постоянные питательные или трофические связи, на основе которых формируются цепи питания. Но первым звеном цепи питания есть растения, которые в процессе фотосинтеза превращают световую энергию Солнца в химическую с образованием органических веществ. Формирование трофических цепей и сети питания обеспечивает распределение потоков вещества и энергии в пределах экосистемы. При этом формируется информационные системы в рамках экологических систем и эта информация содержится в живых организмах, в их генетическом коде и способности адаптироваться к изменениям условий среды. Это является основой стабильности и самоорганизации экосистем. Гомеостаз или саморегуляция экосистем обеспечивается живыми организмами.

 

Экосистемы постоянно развиваются, а их динамичность обусловлена как биотическими, так и абиотическими факторами. Если рассматривать относительно статические параметры системы, то при более детальном рассмотрении оказывается, что они являются динамическими. Исследование динамики экосистем требует много времени, но сегодня доказано и обосновано, что динамика экосистем реально существует во времени и имеет ряд закономерностей.

 

Различают четыре основных стадии развития экосистем:

 

I стадия - появление первых низших растений, например, мхи, лишайники;

 

II стадия - появление первого яруса высших растений и насекомых;

 

III стадия - формирование замкнутой системы с элементами ярусности фитоценоза, значительным биоразнообразием животного мира и т.д.. Формируется замкнутый цикл круговорота веществ;

 

IV стадия - экологический климакс.

 

Такая последовательная смена биоценозов называется сукцессии. Сукцессия - это последовательная необратимая смена биоценозов, которая наследственно возникает на одной и той же территории в результате воздействия природных или антропогенных факторов. Последовательность сообществ, которые заменяют друг друга в данном пространстве, называется стадиями развития.

 

Различают первичные и вторичные сукцессии. Первичные сукцессии начинаются на субстратах, которые не испытали влияния процессов почвообразования, например, скальные породы, песчаные дюны, вулканическая лава и т.д.. Вторичные сукцессии проходят на участках сформированных биоценозов после их нарушения, например, в результате пожаров, вырубки леса, засухи, эрозии и т.д..

 

Согласно правила максимума энергии поддержания зрелой системы, сукцессия идет в направлении фундаментального смещения потока энергии в сторону увеличения ее количества с целью поддержки системы. Любая сукцессия приводит к росту биоразнообразия, но только до стадии экологического климакса.

 

Знание специфики сукцессионных стадий позволяет вести разумную хозяйственную деятельность и более рационально использовать ресурсы природных экосистем.

 

Конечной стадией сукцессий является экологический климакс. Срок климакс введен Ф.Клементсом (1916) и под экологическим климаксом понимают стабильное состояние экосистемы в котором она поддерживает сама себя неопределенно долго, а все внутренние ее компоненты уравновешены друг с другом.

 

При экологическом климаксе наблюдается равновесие между биотическими и абиотическими компонентами экосистемы на максимально высоком уровне потенциальной энергии и биоразнообразия: годовая продукция и приток вещества извне уравновешены годовым потреблением, расходами

 

и выносом веществ из системы, поэтому чистая годовая продукция экосистемы приближается к нулю. Хотя первичная сукцессия может быть разнообразной, следующие сукцессии приводят к росту видового разнообразия и усложнения связей внутри системы, но стадия климакса является обязательным. Например, на болоте свои фазы сукцессий, но они завершаются аналогичным климаксовим лесом данного типа; чрезмерный выпас скота может привести к образованию пустынного сообщества на участках, где по условиям локального климата мог бы сохраниться степь.

 

Итак, на саморегуляцийни процессы, которые проходят в экосистемах, могут влиять как природные факторы, так и антропогенные. Концепция климакса помогает понять отношения сообществ в их развитии под влиянием нарушений, обусловленных деятельностью человека, и выявить взаимоотношения нарушенных сообществ и ненарушенных.

 

В связи с тем, что экосистемы являются динамичными, прогнозирование их состояния является важной задачей экологии. Зная динамику изменений основных параметров экосистем, можно определять их устойчивость к воздействию внешних факторов, выявлять негативные тенденции в развитии, определять возможно антропогенная нагрузка на экосистемы и т.д.. Моделирование состояния экосистем осложняется рядом обстоятельств:

 

- Экосистемы не статичны, а находятся в непрерывных изменениях, которые сильно отражаются на их структурно-функциональной организации, биологическом разнообразии и устойчивости;

 

- Экосистемы являются открытыми, они не могут существовать без обмена веществом и энергией с окружающей средой. Поэтому трудно учесть все случайные (стихийные) воздействия внешних факторов на экосистемы;

 

- Экосистемы являются сложными, их внутренние структуры ("разбивки") взаимно пересекаются;

 

- Сложность структуры экосистем, которая связана с их нелинейностью, усложняет аналитическое решение уравнений, на которых базируется модель развития экосистем;

 

- За счет мощного потока информации в экосистемах, трудно собрать всю необходимую информацию о ходе процессов в них, а также трудно проявлять управляющие параметры (слабое звено);

 

- Экологические системы обладают частичной неизбежностью развития (памятью): поведение экосистемы зависит от предшествующего развития, поэтому для предсказания их поведения недостаточно знать их состояние в данный момент, а необходимо знать их предыдущее состояние.

 

Последнее согласуется с законом необратимости эволюции: организм не может вернуться к прежнему состоянию, который реализован в его предков, справедлив и для экосистем.