Экосистемный подход к изучению природы Земли

В ходе становления науки о Земле сложилось несколько подходов к описанию функционирования ее природы: сферный, системный и средовой. В биологических науках в равной мере используется каждый из них. Эти подходы достаточно близки и часто оперируют одними и теми же родо-видовыми понятиями. В рамках системно-синергетической парадигмы при изучении биосферы целесообразно использовать экосистемный подход.

Представление о биосфере как глобальной экосистеме начало формироваться еще в середине XIX века. Его истоки - в биоценологии (греч. koinos - общий; совместно, вместе), основы которой заложил немецкий биолог К. Мебиус (1825-1908). В ее центре - учение о происхождении, строении, развитии во времени и пространстве сообществ живых организмов, проживающих на определенной территории, - биоценозах и условиях их функционирования.

Биоценоз - это сообщество различных видов организмов, связанных между собой определенными отношениями и приспособленностью к условиям окружающей среды, населяющих определенную область - биотоп (греч. topos - место, пространство). Биотоп (или экотоп) представляет совокупность взаимосвязанных участков литосферы, гидросферы и атмосферы, с которыми взаимодействуют организмы и которые являются средой их обитания и источником минеральных ресурсов.

Структура и функционирование биоценоза определяются множественностью взаимосвязей между населяющими его организмами и элементами неживой природы. Его целостность поддерживается за счет прямых и обратных связей трех функциональных групп организмов, входящих в его структуру и обеспечивающих круговорот биогенных элементов. Это продуценты (лат. producentis - производящий; организмы, способные к фото- или хемосинтезу и являющиеся в пищевой цепи первым звеном; создатели органических соединений; к ним относятся все растения), консументы (лат. consumo - потребляю; организмы, потребляющие готовые органические вещества, создаваемые продуцентами) и редуценты (лат. reducentis- восстанавливающий; организмы, разлагающие мертвую органику в неорганические вещества, которые затем вновь поступают в природные круговороты).

Каждый биологический вид включен в одну или несколько пищевых цепей. Их совокупность образует пищевые или трофические (греч. trophe - пища) сети.

Организмы, входящие в состав какого-либо биоценоза, оказываются приспособленными к определенному типу абиотических условий. В сходных природных условиях появляются сходные по своей структуре биоценозы. При этом мелкие биоценозы являются элементами более крупных. Так, обитатели прибрежной зоны водоема входят в биоценоз всего водоема, обитатели лесной поляны входят в биоценоз леса.

В дальнейшем идеи биоценологии развивались в трудах крупного русского ботаника В.Н. Сукачева (1880-1967), который создал учение о биогеоценозах. Биогеоценоз - участок земной поверхности, на котором биоценоз и биотоп объединены в целостный взаимосвязанный природный комплекс. Это более широкое понятие, чем биоценоз, так как включает в свою структуру и косные (неживые) компоненты среды обитания живых организмов. Однако это также неполная природная система, ибо в число компонентов биогеоценоза не входят некоторые важные элементы, например, рельеф местности, ее геологический фундамент, гидротермические условия и т.д. И в этом плане наиболее общим является понятие ландшафта (немецк. land - страна, schaft- вид), определяемого как территория, однородная по своему происхождению и истории развития, неделимая по зональным признакам, обладающая единым геологическим фундаментом, однотипным рельефом, общим климатом, единообразным сочетанием гидротермических условий, почв, биоценозов, однохарактерным набором простых геокомплексов.

Понятие «экосистема» было введено английским ботаником А. Тенсли (1871- 1955). Существует множество определений экосистемы, но среди них можно выделить некоторый инвариант:

экосистема - целостный, развивающийся природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, в котором живые и неживые компоненты связаны между собой и средой обитания потоками вещества, энергии и информации.

В рамках такого определения понятие экосистема близко к понятию биогеоценоза. В ее структуре также присутствуют две группы взаимосвязанных, входящих в ее состав элементов: экотоп и биоценоз.

В любой экосистеме каждый вид занимает определенное положение - экологическую нишу. Известный современный эколог Ю. Одум в своем учебнике «Экология»дает следующее определение: «Экологическая ниша - это не только физическое пространство (со всей присущей ему совокупностью факторов среды - температура, освещенность, влажность, минеральный состав и др.), занимаемое организмом, но и функциональная роль организма в сообществе (его трофическое положение) и его место относительно изменения внешних факторов». Это условия, в пределах которых возможно существование вида. Экологические ниши входящих в экосистему видов не могут полностью совпадать. В противном случае более сильный вид вытесняет более слабый, потеря которого в конечном итоге может привести экосистему к неустойчивости.

Как правило, факторы действуют одновременно, но степень их влияния в сложившихся конкретных условиях может существенно различаться. Отдельные компоненты экосистемы обладают разной степенью устойчивости (толерантности) по отношению к изменениям того или иного фактора. Любому организму для нормального существования необходимо наличие не просто какого-то условия, а вполне определенного интервала его значений. Например, переизбыток влаги, как и ее недостаток по сравнению с естественными потребностями организма, губительно влияют на его жизнь. Экологический фактор, который при определенном наборе условий окружающей среды ограничивает проявление жизнедеятельности населяющих ее организмов, называют лимитирующим (от лат. limes - граница, предел; ограничивающий). Одним из таких факторов является наличие питания. Сколь бы благоприятными ни были другие факторы для жизни популяции, отсутствие питания на данной территории заставляет искать новые места обитания.

· Основные законы функционирования экосистем

2. Закон развития экосистем. Развитие экосистемы можно рассматривать как смену одних сообществ другими, с иным набором господствующих видов, изменение видового разнообразия, изменение пространственной и трофической структуры. Эта смена получила название сукцессии. Выделяют три ее этапа: стадия роста (продукция экосистемы растет до максимума), стабилизации (количество продукции в течение какого-то времени остается постоянным) и климакса (продуктивность катастрофически падает и опускается до нуля). В естественных условиях (без вмешательства человека) экосистемы стремятся за счет саморегуляции к достижению максимальной стабильности и сохранению разнообразия.

3. Закон экспоненциального роста популяции. В благоприятных условиях рост численности (y) любой популяции, в том числе и человечества, с течением времени (x) при благоприятных условиях происходит по экспоненциальному закону (лат. exponens- показывающий; показательная функция y = e^x, где е = 2,72). До некоторого момента численностьнарастает медленно. По достижении определенного значения «x»начинается ее последовательное удвоение, причем промежутки времени, в течение которых это происходит, сокращаются. Однако в реальности рост численности происходит значительно медленнее. Этому есть несколько причин: нехватка ресурсов, из которых организмы строят свои тела, неблагоприятные внешние условия, гибель до наступления репродуктивного периода и другие.

4. Закон Либиха - Шелфорда. В общем виде это звучит так. У каждого организма существуют определенные границы выносливости (или толерантности) к факторам окружающей среды. Лимитирующим для развития организмов может быть как минимальное, так и максимальное значение экологического фактора. Оптимальными для организма являются промежуточные значения. При этом организмы могут иметь широкие границы устойчивости по отношению к одному фактору и узкие - к другому. Наиболее распространенными в биосфере оказываются виды с широкими границами толерантности по всем факторам. Если условия для существования вида неоптимальны по одному фактору, то могут сузиться диапазоны толерантности и по другим.

5. Закон конкурентного исключения. Два вида, занимающие одну экологическую нишу, не могут устойчиво сосуществовать на одной территории бесконечно долго, если рост их численности ограничен одним и тем же жизненно важным ресурсом. Побеждает тот из них, у которого более высока толерантность. Вид, не выдержавший конкуренции, оттесняется за пределы ниши и должен приспосабливаться к более тяжелым экологическим условиям.

6. Принцип Ле-Шателье - Брауна был установлен в конце XIX века для термодинамических систем: внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия. Применительно к экосистеме это может быть сформулировано следующим образом: в естественных условиях в экосистеме самопроизвольно устанавливается подвижное равновесие, благодаря которому она сохраняет свое стабильное состояние. В случает интенсивного хозяйственного вмешательства человека это равновесие в экосистеме нарушается, размыкаются биотические круговороты веществ, что в конечном итоге может привести к разрушению экосистемы.

· Биосфера как глобальная экосистема