Текст учебника. Урок 7. Динамика экосистем.

Динамика экосистем

 Сукцессии, круговороты веществ и устойчивость экосистем

Введение
Живой мир нашей планеты находится в постоянном движении и изменении. Меняется численность популяций, виды расселяются на новые территории, климатические условия преображают ландшафты. Однако за кажущейся хаотичностью этих процессов скрываются строгие закономерности. Экосистемы, подобно живому организму, рождаются, развиваются, достигают зрелости и приходят в упадок, чтобы дать начало новым. В основе этого развития лежат два фундаментальных явления: сукцессия и круговорот веществ, которые в конечном итоге определяют устойчивость жизни на Земле.

1. Сукцессии и их виды

Представьте себе заброшенное сельскохозяйственное поле. В первый год оно покроется сорными травами – лопухом, осотом, пыреем. Через несколько лет здесь появятся кусты малины и шиповника, а затем и первые деревья-пионеры – береза и осина, чьи легкие семена легко разносятся ветром. Еще через десятилетия под пологом этих светолюбивых деревьев начнут подрастать теневыносливые ели. Пройдет сто лет, и на месте поля будет шуметь смешанный, а затем и еловый лес. Этот процесс закономерной и направленной смены одних сообществ другими на определенном участке земной поверхности называется сукцессией (от лат. successio – преемственность).

Причиной сукцессии является сама жизнедеятельность организмов, которая изменяет среду обитания. Каждое сообщество готовит условия для возникновения следующего, более сложного и приспособленного к новым условиям. Например, лишайники, поселяющиеся на голой скале, выделяют кислоты, разрушающие горную породу. Отмирая, они смешиваются с мелкоземом, образуя первичную почву, пригодную для мхов. Мхи еще больше накапливают почву, меняя ее влажность, что позволяет укорениться злакам и другим травянистым растениям.

Различают два основных типа сукцессий:

• Первичная сукцессия начинается на совершенно безжизненных субстратах: на голых скалах, застывшей лаве, песчаных дюнах, обрывах. Это очень медленный процесс, занимающий сотни и даже тысячи лет, так как его начальным этапом является почвообразование. Пионерами здесь выступают лишайники и цианобактерии.

• Вторичная сукцессия происходит на территориях, где ранее существовало сообщество, но было нарушено в результате природных катастроф (пожар, наводнение, ураган) или деятельности человека (вырубка леса, заброшенная пашня). Так как почва и семена растений сохраняются, такая сукцессия протекает much faster – в течение десятков лет.

Конечным этапом сукцессии является формирование климаксного сообщества – относительно устойчивой экосистемы, находящейся в равновесии с окружающей средой (например, еловый лес, ковыльная степь, верховое болото). Однако даже климаксные сообщества продолжают медленно изменяться, а абсолютно стабильных экосистем в природе не существует.

2. Круговороты веществ

Любая экосистема может устойчиво существовать только при условии постоянного притока энергии и круговорота веществ. Если энергия Солнца потоком однонаправленно проходит через экосистему и рассеивается в виде тепла, то химические элементы, необходимые для жизни (биогенные элементы: углерод, кислород, азот, фосфор, сера и др.), совершают непрерывное движение по замкнутым путям, переходя от внешней среды к организмам и обратно. Это движение называется круговоротом веществ.

Основную роль в круговороте веществ играют живые организмы:

1. Продуценты (растения, цианобактерии) из неорганических веществ и энергии света создают органические вещества.

2. Консументы (животные, грибы, многие бактерии) потребляют, преобразуют и перемещают органические вещества.

3. Редуценты (бактерии и грибы) разлагают мертвое органическое вещество и отходы жизнедеятельности до простых неорганических соединений, которые снова могут быть использованы продуцентами.

Таким образом, жизнь на Земле существует благодаря биогенному круговороту, в котором участвуют все населяющие планету организмы.

Рассмотрим ключевые круговороты:

• Круговорот углерода. Углерод – основа всех органических соединений. Его основной резервуар – атмосфера (CO₂). В процессе фотосинтеза растения поглощают CO₂ и включают углерод в состав глюкозы. Далее по цепям питания углерод передается консументам. Все организмы в процессе дыхания возвращают CO₂ в атмосферу. Важную роль играют и запасы углерода в горных породах (известняк, уголь, нефть, газ). Сжигание ископаемого топлива человеком приводит к быстрому высвобождению огромного количества углерода, нарушая естественный баланс.

• Круговорот азота. Азот необходим для синтеза белков и нуклеиновых кислот. Основной его резервуар – атмосфера (газ N₂), которую не могут directly использовать растения. Азотфиксирующие бактерии (свободноживущие и клубеньковые) переводят атмосферный азот в доступные для растений формы (соли аммония NH₄⁺ и нитраты NO₃⁻). После отмирания растений и животных редуценты минерализуют органические остатки, высвобождая аммоний. Нитрифицирующие бактерии окисляют его до нитратов. Денитрифицирующие бактерии завершают цикл, восстанавливая нитраты до газообразного азота и возвращая его в атмосферу.

• Круговорот фосфора. В отличие от углерода и азота, фосфор не имеет газовой фазы в атмосфере. Его основной резервуар – горные породы земной коры. Вымываемые водой фосфаты (PO₄³⁻) поглощаются растениями и включаются в пищевые цепи. После гибели организмов фосфор возвращается в почву и снова вымывается в водоемы и в конечном итоге осаждается на дно, образуя новые sedimentary породы. Этот круговорот менее замкнут, и фосфор часто выносится в океан, что может лимитировать продуктивность наземных экосистем.

3. Устойчивость экосистем

Устойчивость экосистемы – это ее способность противостоять колебаниям внешних факторов (изменение климата, нашествие вредителей) и сохранять свою структуру и функциональную целостность.

Главными факторами устойчивости являются:

1. Высокое видовое разнообразие. Чем больше в экосистеме видов, тем сложнее ее пищевые сети. Если один вид исчезает, его функцию в круговороте веществ могут взять на себя другие. В монокультурном ельнике гибель елей от короеда приведет к катастрофе, а в смешанном лесу другие виды деревьев сохранят экосистему.

2. Сбалансированность круговоротов веществ. Устойчивая экосистема максимально полно использует и перерабатывает поступающие в нее вещества, минимизируя их потери.

3. Сложная пространственная структура. Наличие ярусов в лесу, множество экологических ниш позволяют сосуществовать большому количеству видов, эффективно используя ресурсы.

Нарушение любого из этих факторов (сокращение биоразнообразия, загрязнение, нарушающее круговороты) снижает устойчивость экосистемы, делает ее уязвимой и может привести к необратимым изменениям. Задача человечества – понимать эти законы и строить свою хозяйственную деятельность так, чтобы не подрывать устойчивость биосферы – глобальной экосистемы нашей планеты.

Выводы:

1. Сукцессия – это закономерный процесс последовательной смены экосистем, driven их внутренним развитием.

2. Жизнь на Земле возможна благодаря биогенному круговороту веществ, в котором участвуют продуценты, консументы и редуценты.

3. Устойчивость экосистемы прямо пропорциональна ее видовому разнообразию, сложности структуры и сбалансированности круговоротов веществ.