Гомеостаз и сукцессия экологической системы
Федеральное агентство по образованию
Московский Государственный Строительный Университет
Авторы: А.С. Маршалкович, М.И. Афонина, Т.А. Алешина.
ЭКОЛОГИЯ - Конспект лекций.
Москва 2009
Московский Государственный Строительный Университет
Авторы: А.С. Маршалкович, М.И. Афонина, Т.А. Алешина.
ЭКОЛОГИЯ - Конспект лекций.
Москва 2009
Введение.
Тема 1. Учение о биосфере и ее эволюции.
Тема 2. Основные законы и принципы экологии.
- Абиотические факторы воздушно-наземной среды.
- Абиотические факторы почвенного покрова.
- Абиотические факторы водной среды.
- Биотические факторы.
- Некоторые законы и понятия экологии.
- Закон ограниченности природных ресурсов. (правило одного процента)
- Понятие об экологической нише.
- Правило обязательного заполнения экологических ниш.
- Адаптация живых организмов к экологическим факторам.
- Популяция, ее структура и динамика.
- Структура водной и наземной экосистем.
- Гомеостаз и сукцессия экологической системы.
- Законы термодинамики.
- Антропогенные воздействия на экосистемы.
- Эвтрофикация и меры борьбы с нею.
- Атмосферные процессы.
- Кислотные осадки.
- Круговорот углерода. «Парниковый» эффект
- Круговорот азота.
- Круговорот серы.
- Круговорот фосфора.
- Круговорот радионуклидов.
- Круговорот токсичных элементов.
- Глобальные экологические проблемы.
- Загрязнения окружающей среды.
- Загрязнение гидросферы.
- Экологическая надежность и безопасность.
Список использованной литературы.
Гомеостаз и сукцессия экологической системы.
Естественные экосистемы существуют в течение длительного времени – десятков и даже сотен лет, то есть обладают стабильностью во времени и пространстве. Для поддержания стабильности экосистемы необходима сбалансированность потоков вещества и энергии, процессов обмена веществ между организмами и окружающей их средой. Но ни одна экосистема не бывает абсолютно стабильной: например, регулярно увеличивается численность популяций одних видов животных и растений, но уменьшается численность других. Подобные процессы имеют определенную периодичность, но в целом не выводят систему из равновесия.
Состояние подвижно-стабильного равновесия экосистемы носит название гомеостаза ("гомео” – тот же, "стазис” – состояние).
Экосистема может устойчиво функционировать только в пределах той области нарушения обратных связей, когда ее элементы еще могут компенсировать отклонения, определяемые положительной обратной связью (Рис. 10).
Рис. 10 Схема гомеостатического плато. (Ю. Одум)
Область устойчивости экосистемы называется гомеостатическим плато (см. рис).
Для пояснения, что такое обратная связь в экологии рассмотрим условную простую экосистему, состоящую из двух графических уровней "олень – волк”. В этой системе хищники поедают жертв. Если численность жертвы растет, то хищник, который питается только этой жертвой, тоже увеличивает свою численность (объем популяции). В этом проявляется положительная обратная связь, которая стремится вывести систему из равновесия. Но поскольку волк ест оленей, то он, естественно, снижает численность популяции оленей. В этом проявляется отрицательная обратная связь, которая стремится вновь вывести систему из равновесия. Если же численность волка почему-то из-за каких-либо стрессовых причин резко возрастает, то он, соответственно, снизит и численность оленя, и в конце концов сам будет поставлен перед условием ограничения собственной численности (из-за недостатка пищи), но стабильность системы в целом не нарушится.
Таким образом, область, в пределах которой механизмы обратной связи способны, не смотря на стрессовые воздействия, сохранить устойчивость системы, хотя и в измененном виде, называют гомеостатическим плато.
В пределах (верхнем и нижнем) действия обратных связей экосистема за счет компенсаторных регуляторов сохраняет устойчивость, причем в условиях антропогенных нагрузок для функционирования экосистем человек должен сам играть роль компенсаторного регулятора (озеленяя землю, очищая воздух, воду и т.д.)
Таким образом, гомеостаз – важнейшее условие существования любой экосистемы, однако, в разных сообществах его признаки и закономерности неодинаковы.
Например, в естественном биогеоценозе гомеостаз поддерживается тем, что такая система открыта, то есть непрерывно получает энергию из окружающей среды. Так, к растениям непрерывно поступает солнечная энергия. Ассимиляция сопровождается диссимиляцией, накопление вещества – его постоянным распадом.
Антропогенная (созданная человеком) экосистема не может рассматриваться как открытая. Например, в экосистеме искусственного аэрационного сооружения для очистки сточных вод (аэротенке): при непрерывном поступлении сточных вод содержащиеся в них вещества накапливаются в аэротенке, а концентрация активного ила снижается и его становится недостаточно для сорбирования вредных веществ. В итоге равновесие экосистемы нарушается, качество очистки снижается и система перестает работать. Для того, чтобы система сохраняла режим работы, человек сам поддерживает ее гомеостаз за счет нагнетания воздуха (аэрации), периодического обновления ила.
Но даже качественная экосистема, находящаяся в состоянии гомеостатического равновесия, испытывает медленные, но постоянные изменения во времени в первую очередь биоты, то есть входящего в состав биогеоценоза живого населения. Такую последовательную смену одного биоценоза (биоты) другим называют сукцессией (латинское "сукцедо” – следующий).
Простейший пример сукцессии – последовательное освоение грибами, бактериями, беспозвоночными упавшего в лесу дерева. Другие примеры сукцессии – смена ели березой, сосны – елью, дуба – осиной, липой, кленом и т.д. Различают сукцессии зоогенные (под сильным воздействием животных), фитогенные, антропогенные, а также катастрофические (следствие пожара, ветровала, сильного загрязнения воды или атмосферы и т.д.)
Различают первичную сукцессию – процесс развития и смены экосистем на незаселенных ранее участках. Классический пример – постепенное обрастание голой скалы с развитием в конечном итоге на ней леса. Или постепенная смена озерной экосистемы лесом. Вторичная сукцессия – восстановление экосистемы когда-то существовавшей на данной территории.
Сукцессия обычно завершается стадией, когда все виды экосистемы, размножаясь, сохраняют относительно постоянную численность и дальнейшей смены ее состава не происходит. Такое равновесное состояние называют климаксом, а экосистему – климаксовой.
Общие закономерности сукцессионного процесса. Для любой сукцессии, особенно первичной, характерны следующие общие закономерности протекания процесса.
1. На начальных стадиях видовое разнообразие незначительно, продуктивность и биомасса малы, но по мере развития сукцессии эти показатели возрастают.
2. С развитием сукцессионного ряда увеличиваются взаимосвязи между организмами. Особенно возрастает количество и роль симбиотических отношений. Полнее осваивается среда обитания, усложняются цепи и сети питания.
3. Уменьшается количество свободных экологических ниш, и в климаксном сообществе (от греч. «климакс» – лестница) они либо отсутствуют, либо находятся в минимуме. В связи с этим по мере развития сукцессий уменьшается вероятность вспышек численности отдельных видов.
4. Интенсифицируются процессы круговорота веществ, поток энергии и дыхание экосистем.
5. Скорость сукцессионного процесса в большей мере зависит от продолжительности жизни организмов, играющих основную роль в сложении и функционировании экосистем. В этом отношении наиболее продолжительны сукцессии в лесных экосистемах. Короче они в экосистемах, где автотрофное звено представлено травянистыми растениями, и еще быстрее протекают в водных экосистемах.
6. Неизменяемость завершающих (климаксных) стадий сукцессий относительна. Динамические процессы при этом не приостанавливаются, а лишь замедляются. Продолжаются динамические процессы, обусловливаемые изменениями среды обитания, сменой поколений организмов и другими явлениями. Относительно большой удельный вес занимают динамические процессы циклического (флуктуационного) плана.
7. В зрелой стадии климаксного сообщества биомасса обычно достигает максимальных, или близких к максимальным значений, при этом продуктивность отдельных сообществ на стадии климакса неоднозначна.
В каждой экосистеме два основных компоненте: биота (организмы) и абиота (неживые – химические и физические – факторы окружающей среды). Несмотря на громадное разнообразие экосистем, всем им, по мнению экологов, свойственна примерно одинаковая биотическая структура, то есть все они включают одни и те же основные категории организмов, взаимодействующие друг с другом стереотипным образом. Это следующие категории: продуценты, консументы, детритофаги и редуценты.
Поскольку растения строят свой организм без посредников, их называют самопитающимися или автотрофами. Так как, будучи автотрофами, они создают первичное органическое вещество, продуцируют его из неорганического, они носят название продуцентов. То есть продуценты – это, в основном, зеленые растения осуществляющие фотосинтез, то есть процесс превращения воды и СО2 в сахара с выделение в качестве побочного продукта О2, для чего необходима световая энергия. Молекула, с помощью которой они улавливают световую энергию – зеленый пигмент хлорофилл.
Процесс протекает следующим образом. Фотон солнечного света взаимодействует с молекулой хлорофилла, содержащегося в хлоропласте зеленого листа, в результате чего высвобождается электрон одного из ее атомов. Этот электрон, перемещаясь внутри хлоропласта, реагирует с молекулой аденозиндифосфат (АДФ) которая, получив достаточную дополнительную энергию, превращается в молекулу аденозинтрифосфат (АТФ) – вещества, являющегося энергоносителем. Возбужденная молекула АТФ в живой клетке, содержащей воду и диоксид углерода, способствует образованию молекул сахара и кислорода, а сама при этом утрачивает часть энергии и превращается вновь в молекулу АДФ.
Простые химические вещества, из которых состоят воздух, вода и минералы горных пород и почвы, называются неорганическими, а сложные соединения типа белков, жиров и углеводов, образующих ткани растений и животных – органическими. Таким образом, фотосинтезирующие растения используют световую энергию, чтобы продуцировать все сложные органические соединения своего тела из простых неорганических (CO2, H2O, минеральных биогенов), присутствующих в окружающей среде. При этом энергия света накапливается в органических соединениях наряду с химическими элементами.
Фотосинтезирующие растения с помощью световой энергии продуцируют пищу (органические соединения из неорганических) для остальных организмов экосистемы, которые потребляют органику, как источник вещества и энергии.
Организмы, которые не могут строить собственное вещество из минеральных компонентов, вынуждены использовать созданное автотрофами, употребляя их в пищу. Их поэтому называют гетеротрофами, или в функциональной классификации консументами (латинское "консумо” - потребляю).
Консументы – это самые разнообразные организмы от бактерий до китов. Первичные консументы, то есть животные, питающиеся только растениями называются травоядными или фитофагами. Консументы второго и более высоких порядков – плотоядными. Виды, с равным успехом употребляющие в пищу как растения, так и животных, относятся к всеядным.
Детритофаги и редуценты питаются мертвым органическим веществом (мертвые растительные и животные остатки), при этом разлагая его. Детритофаги - грифы, земляные черви, раки, термиты, муравьи и др. Редуценты – грибы и бактерии.
Чтобы понять, как саморегулируются экосистемы, нужно знание некоторых основополагающих химических принципов, касающихся атомов, элементов, энергии и их взаимодействий, ведущих к образованию сложных соединений и их разложению.
Ученые установили, что организмы (биота) состоят из тех же химических элементов, что и воздух, вода, минералы горных пород и почв. Более того, из 108 существующих в природе элементов в организмах обнаружено только 20. Наиболее важные из них C, H, O, N, P и S.
Тем не менее, одна химическая особенность отличает живое от неживого (биоту от абиоты). Это сложность молекул. Абиотические факторы: воздух, вода и минералы состоят из относительно простых молекул (O2, N2, CO2, H2O, молекулы минералов). Кроме того, они непрерывно взаимодействую друг с другом: молекулы воздуха растворяются в воде, ее молекулы поступают в виде водяного пара в воздух, минералы растворяются в воде и рекристаллизуются из нее. Однако сами молекулы при этом не меняются.
Химическая структура живого основана на сложных молекулах – белках, углеводах, жирах, липидах и нуклеиновых кислотах (ДНК, РНК). Эти и другие молекулы образованы, в основном, атомами углерода, соединенными в цепочки. Сложность таких молекул огромная, а их потенциальное разнообразие бесконечно.
Молекулы, в основе которых лежат углеродные цепочки, называются органическими; они и формируют ткани живых организмов. Все остальные – неорганические. Полимеры тоже имеют углерод – углеродные цепочки, относятся к органическим веществам, но не имеют ничего общего с живыми организмами. Поэтому делят – природные органические соединения и синтетические органические соединения.
Разложение и горение - это процессы, обратные росту, ведущие к разрушению сложных органических молекул и построению из их атомов простых неорганических. Мы говорим при этом лишь о перегруппировке атомов, а не об их изменении. Это закон сохранения массы - один из основных законов природы: атомы в химических реакциях никогда не исчезают, не образуются и не превращаются друг в друга; они только перегруппировываются с образованием различных молекул и соединений!
Мы подошли к первому принципу функционирования экосистемы: в естественных экосистемах использование ресурсов и избавление от отходов осуществляется в рамках круговорота всех элементов.
Однако химические реакции - это не просто перегруппировка атомов, это энергетический процесс (происходит поглощение или выделение энергии). Поэтому сначала надо выяснить разницу между веществом и энергией.
Вещество занимает пространство и имеет массу. Бывают твердые, жидкие и газообразные вещества. Наиболее обычные формы энергии - это свет и другие виды излучения, тепло, движение и электричество. Они не занимают пространства и не обладают массой.
Энергия - это способность совершать работу. Кинетическая обусловлена непосредственным действием или движением: световая, тепловая, электрическая, механическая энергия - различные ее формы. Потенциальная энергия как бы запасается системой. Эта энергия показывает возможность, т.е. потенциал, реализовать ее в форме кинетической энергии.
Путей перехода из одной формы в другую множество. Единица измерения энергии - калория, т.е. количество тепла, необходимое для нагревания 1 мл воды на 1оС.
Многочисленные эксперименты показали: при переходах энергии из одной формы в другую количество энергии остается неизменным.
