Устойчивость экосистем – биология

Устойчивость и саморегуляция экосистемы

Любой биогеоценоз представляет собой чрезвычайно сложную динамическую систему, состоящую из многих сотен и даже тысяч видов живых организмов, объединенных трофическими, топическими и другими связями. Так, по данным российского ученого В. В.

Мазинга (1976), только в состав двух популяций березы (повислой и пушистой) входит 91 вид паразитических и 35 видов микоризообразующих грибов, 46 видов эпифитных лишайников, 7 видов эпифитных печеночников и 16 видов эпифитных лиственных мхов, 8 видов клещей, 574 вида насекомых, 8 видов птиц, 9 видов млекопитающих — всего 795 видов, не считая бактерий, простейших, водорослей, актиномицетов. Такие сложные природные экосистемы имеют собственные законы сложения, функционирования и развития. Длительность существования каждой экосистемы поддерживается прежде всего за счет общего круговорота веществ, осуществляемого продуцентами, консументами и редуцентами, и постоянного притока солнечной энергии. Именно эти два глобальных явления обеспечивают ей высокую способность противостоять воздействию постоянно меняющихся условий внешней среды.

Устойчивость экосистемы обеспечивается также биологическим разнообразием и сложностью трофических связей организмов, входящих в ее состав.

В богатых видами экосистемах у консументов есть возможность избирать разные виды пищевых объектов и в первую очередь — наиболее массовые.

Если потребляемый пищевой объект становится редким, то консумент переключается на питание другим видом, а первый, освобожденный от пресса выедания, постепенно будет восстанавливать свою численность.

Благодаря такому переключению поддерживается динамическое равновесие между пищевыми ресурсами и их потребителями и обеспечивается возможность их длительного сосуществования.

Таким образом, процесс саморегуляции экосистемы проявляется в том, что все разнообразие ее населения существует совместно, не уничтожая полностью друг друга, а лишь ограничивая численность особей каждого вида определенного уровня.

Например, в лесу листьями древесных растений питаются несколько сотен видов насекомых, но в оптимальных условиях каждый вид представлен незначительным количеством особей, поэтому их общая деятельность не наносит существенного вреда лесным деревьям.

Однако насекомые отличаются большой плодовитостью, и если бы отсутствовали ограничивающие факторы (неблагоприятные погодные условия, уничтожение хищными и паразитическими насекомыми, птицами, болезнетворными микроорганизмами и т. п.

), то численность любого вида насекомых возросла бы очень быстро и привела бы к разрушению экосистемы. Следовательно, взаимоотношения типа хищник—жертва, паразит—хозяин взаимно сглаживают всплеск численности и стабилизируют экосистему.

Важным фактором стабилизации экосистемы является генетическое разнообразие особей популяций. Изменение условий внешней среды может вызвать гибель большинства особей популяции, адаптированных к прежним условиям существования.

Поэтому чем более генетически разнородной является та или иная популяция экосистемы, тем больший шанс у нее иметь организмы с аллелями, ответственными за появление признаков и свойств, позволяющих выжить и размножаться в новых условиях и восстановить прежнюю численность популяции.

Время, необходимое для восстановления популяции, будет зависеть от скорости размножения особей, так как изменение признаков происходит только путем отбора в каждом поколении.

Стабильность экосистемы зависит также от степени колебаний условий внешней среды. В тропиках и субтропиках стабильны и оптимальны для многих видов температурные условия, влажность, освещенность.

Поэтому тропические экосистемы с высоким биологическим разнообразием входящих в них организмов отличаются высокой устойчивостью. И, напротив, тундровые экосистемы менее устойчивы.

Им свойственны резкие колебания численности популяций разных видов.

Способность экосистемы к саморегуляции и поддержанию динамического равновесия называется гомеостазам.

Гомеостаз экосистемы выражается в способности сохранять постоянство видового состава и численности особей, поддерживать относительную стабильность и целостность генетической структуры в меняющихся условиях внешней среды.

Нарушение природных цепей питания под воздействием антропогенного фактора, непродуманное вмешательство человека в экосистемы могут привести к неконтролируемому росту или снижению численности особей определенных популяций и к нарушению природных экосистем.

Источник: http://sbio.info/materials/organizm/orgekology/orgchenoz/165

Устойчивость экосистем

Толерантность вида. Термин толерантность (от лат.

tolerantia – терпение) означает выносливость вида по отношению к колебаниям какого-либо экологического фактора, или другими словами, способность организмов переносить отклонения экологических факторов среды от оптимальных для них величин.

Изменения величин этих факторов для каждого организма допустимы только в определенных пределах, при которых сохраняется нормальное функционирование организма, т.е. его жизнеспособность. Допустимые пределы изменений экологических факторов среды называются границами толерантности.

Разные виды организмов отличаются более широкими или более узкими границами толерантности. Чем большие пределы изменения параметров среды безболезненно выдерживает конкретный организм, тем выше толерантность, или устойчивость этого организма к изменению экологических факторов среды.

Адаптация организмов к изменению экологических факторов. Показатели устойчивости организмов в изменяющихся условиях среды обитания определяются возможностями организмов приспосабливаться (адаптироваться) к изменениям биотических и абиотических факторов.

Адаптациями называются эволюционно выработанные и наследственно (генетически) закрепленные свойства организмов, обеспечивающие их нормальную жизнедеятельность при изменениях экологических факторов. Адаптационные возможности у разных видов очень сильно различаются.

Например, береза хорошо растет как на сухих, так и увлажненных почвах, а сосна – только на почвах с умеренным увлажнением.

Часто важны не только пределы изменения экологических факторов, но и скорость их изменения, т.е. динамика. Не все виды способны приспособиться к быстрым изменениям условий среды. Виды, которые не могут (или не успевают) приспособиться к изменившимся условиям, вымирают и их экологические ниши в экосистемах занимают другие, более пластичные виды.

Рассмотрим основные виды адаптаций организмов к изменениям экологических факторов. Наиболее важными из них являются:

– морфологические;

– физиологические;

– поведенческие.

К морфологическим адаптациям относятся видоизменения органов, например, развитие у баобаба колючек вместо листьев, а у китов и дельфинов – плавников вместо ног. Физиологические адаптации связаны с особенностями ферментативного набора в пищеварительном тракте.

Так, потребность животных во влаге удовлетворяется в пустынях путем биохимического окисления жиров, а у растений биохимические процессы фотосинтеза позволяют создавать органическое вещество из неорганических соединений.

Поведенческие адаптации проявляются, например, в способах обеспечения теплообмена у птиц путем сезонных перелетов, у животных – с помощью линьки; для обеспечения пищей хищники используют приемы затаивания (в засаде), а их жертвы – защитную окраску.

Устойчивость экосистем – это способность экосистем сохранять структуру и нормальное функционирование при изменениях экологических факторов.

Рассмотренные выше адаптации организмов к изменениям факторов среды обитания в определенной степени обеспечивают устойчивость экосистем, в состав которых они входят, к изменению экологических факторов среды.

Однако, как и всякая более сложная система, экосистема по сравнению с отдельными видами организмов имеет более высокую степень надежности функционирования в изменяющейся среде, так как на системном уровне формируются и развиваются новые, системные механизмы обеспечения устойчивости и живучести экосистем, которые отсутствовали у отдельных видов. Такие эволюционно выработанные механизмы приспособления экосистем к изменениям среды обитания называются адаптациями экосистем.

Рассмотрим адаптации экосистем, состоящие из адаптационных механизмов двух уровней: видовой уровень и интеграционный, или системный уровень. Видовой (низший) уровень соответствует ранее рассмотренным механизмам в подразделе «Адаптации организмов к изменению экологических факторов».

Системный уровень образуют приспособительные механизмы, возникающие за счет видового взаимодействия по трофическим цепям и сетям.

Природа этих интеграционных, системных механизмов обеспечения устойчивости экосистем основана на круговороте веществ, который осуществляется с помощью трофических цепей.

Существование биогеохимических круговоротов создает возможность для саморегуляции экосистем (или гомеостаза), что придает экосистеме устойчивость в течение длительных периодов. Например, показателем устойчивости глобальной экосистемы, связанной с круговоротом веществ, может служить следующий факт.

Известно, что 93% массы тела человека составляют 4 химических элемента: кислород, углерод, водород и кальций, которые, во-первых, входят в перечень одиннадцати самых распространенных в геосферах Земли химических элементов, и, во-вторых, эти четыре элемента сами образуют более 56% массы геосфер.

Видовое разнообразие – также один из факторов устойчивости экосистем к неблагоприятным факторам среды. Разнообразие обеспечивает как бы подстраховку, дублирование устойчивости.

Например, малочисленный вид при неблагоприятных условиях для другого широко представленного вида может резко увеличить свою численность и таким образом заполнить освободившееся пространство (экологическую нишу), сохранив экосистему как единое целое.

Такая последовательная смена видов или замена одного биоценоза другим называется сукцессией (от лат. сукцедо – следую).

Чтобы лучше уяснить суть сукцессии в экосистеме, рассмотрим два примера:

1) известно, что после лесного пожара сначала появляются лиственные породы, а затем через 70–100 лет их сменяют хвойные;

2) в упавшем дереве сначала поселяются короеды, затем появляются пожиратели древесины, а бактерии и грибы завершают процедуру превращения упавшего дерева в гумус почвы.

Таким образом, увеличение степени разнообразия является основой того, что экосистемы с более длинными цепями питания формируют более интенсивный круговорот веществ и, следовательно, обладают повышенной устойчивостью благодаря возможностям саморегуляции (гомеостаза).

Гомеостаз.

Природные экосистемы (например, лесные, степные) существуют в течение длительного времени и обладают определенной стабильностью, для поддержания которой необходима сбалансированность потоков вещества и энергии в процессах обмена между организмами и окружающей средой. Однако абсолютной стабильности в природе не бывает. Поэтому стабильность состояния природных экосистем является относительной, показателем которой может служить, например, периодически изменяющаяся численность популяций разных видов в экосистеме: численность одних видов увеличивается, других – уменьшается. Такое динамически равновесное состояние, или состояние подвижно–стабильного равновесия экосистем, называют гомеостазом (от греч. гомео – тот же; стазис – состояние).

Ключевой для понимания гомеостаза экосистем термин «подвижно-стабильное равновесие» означает, что устойчивое функционирование экосистем в изменяющихся условиях среды возможно именно вследствие того, что экосистема находится в квазиравновесном состоянии, принципиально отличающимся от понимания состояния равновесия в физике. Чтобы понять это различие, кратко рассмотрим составные части этого термина.

а) Стабильность означает, что природные экосистемы существуют в течение длительного времени и обладают определенной относительной стабильностью во времени и пространстве.

Заметим, что особенностью искусственных (техногенных, созданных человеком) экосистем является то, что человек сам должен поддерживать равновесие в этих экосистемах, т.е.

управлять процессами их функционирования, например, замена ила в региональных, муниципальных или производственных водоочистных сооружениях, в которых культивируются колонии бактерий, пожирающих, сорбирующих, разлагающих загрязняющие вещества в сточных водах.

б) Подвижность означает изменчивость свойств (например, численности популяций) и структуры экосистемы, т.е. совокупности видов.

Последовательные изменения в состоянии равновесия в природных экосистемах отражаются в смене видов (например, в процессе сукцессии), сопровождающейся и изменениями в структуре и свойствах трофических цепей (сетей).

Разнообразие видов формирует сукцессию, обеспечивая заполненность пространства жизнью и увеличивая степень замкнутости биогеохимического круговорота в экосистеме.

Следовательно, гомеостатичность – общее свойство всех экосистем, зависящее от эффективности комплекса адаптационных механизмов, действующих как на уровне отдельных видов, так и на уровне экосистемы в целом. Гомеостатичность зависит от возраста и видового разнообразия экосистем и поэтому сильно различается как у разных сообществ, так и в естественных и искусственных экосистемах.

Источник: https://megaobuchalka.ru/5/9166.html

Устойчивость экосистем

Природные экосистемы являются не толь­ко динамичными, но и устойчивыми система­ми.

Под устойчивостью понимается способ­ность природных экосистем противостоять внешним возмущениям и возвращаться в ис­ходное состояние после воздействия факторов, выводящих их из равновесия, благодаря чему они сохраняют свою целостность и стабиль­ность неопределенно долгое время.

Об этом свидетельствует существование в течение мно­гих тысячелетий наиболее крупных экосистем Земли (биомов): тундры, тайги, влажных тро­пических лесов, саванны и т. п. Благодаря устойчивости экосистем сохраняется удиви­тельное разнообразие жизни на нашей планете и оказывается возможным само существова­ние человека как биологического вида.

Устойчивость природных систем основы­вается на следующих основных принципах их функционированиях:

1. В природных экосистемах используется «экологически чистая» и практически неисчерпаемая энергия солнца.

2. Поступление ресурсов и утилизация от­ходов в природных экосистемах осуществляется в процессе круговорота веществ.

Последовательно продвигаясь по пищевой цепи, вещества, являющиеся отходами одного трофического уровня, служат ресурсами для организмов другого трофического уровня.

При этом атомы биогенов (элементов, необходимых для жизнедеятельности) не исчезают и не возникают, а также не превращаются один в другой. Благодаря этому они могут использо­ваться бесконечно долго в самых различных сочетаниях.

3. В естественных экосистемах на каждом трофическом уровне ассимилируется лишь небольшая часть энергии предыдущего трофического уровня. Поэтому в природных экосистемах на концах длинных пищевых цепей не может быть большой биомассы.

4. Видовое разнообразие природных экосистем должно быть достаточным для эффективного функционирования механизмов саморегуляция и поддержания их гомеостаза. Бла­годаря процессу саморегуляция, все виды, составляющие естественные биоценозы, существуют совместно, не уничтожая полностью друг друга, а лишь ограничивая численность каждого из них определенными пределами.

Несоблюдение любого из перечисленных условий приводит к нарушению устойчивости экосистемы, ее разрушению и гибели.

Понимание механизмов устойчивости экологических систем позволяет человеку осуществлять свою хозяйственную деятельность в соответствии с восстановительными способностями биосферы.

На знании этих механизмов осно­вывается деятельность человека по сохране­нию природных ресурсов и прогнозирование экологического состояния создаваемых им ис­кусственных систем.

Агроценозы

Агроценоз — растительное сообщество, создава­емое человеком путем посева или посадки возделываемых растений. Агроценоз является одним из видов искусственных экосистем, или антропоэкосистем, в которых ведущим экологическим фактором является сам человек.

К ним относятся также городские экосистемы (урбанценозы). В настоящее время, в связи с возрастающим влиянием на природу антро­погенного фактора, антропоэкосистемы занимают все большую часть биосферы.

От природных экосистем агроценозы отличаются очень низкой эко­логической устойчивостью, что обу­словлено следующими их особенностями:

1. Для поддержания существования агроценозов, кроме энергии солнца, необходимы дополнитель­ные энергетические затраты в виде обработки почвы, внесения в почву удобрений, пестицидов, орошения ит. п.

2. Значительная часть ресурсов агроценозов изымается человеком с урожаем, в результате чего кругово­рот веществ в них становится незамкнутым.

3. Видовой состав агроценозов весьма беден. Лишь пять видов расте­ний — пшеница, рис, кукуруза, соя и сахарный тростник — обеспечивают более 80 % всей пищи, потребляемой человеком. Обычно их возделывают как монокультуры. Им сопутствуют сорняки — природные растения, ко­торые приспособились жить в усло­виях измененной среды, и живот­ные — вредители сельскохозяйствен­ных культур.

4. Доминирующие виды растений и домашних животных агроценозов находятся под контролем искусст­венного отбора, направленного на до­стижение их максимальной продук­тивности.

В природных же биогеоце­нозах действует естественный отбор, благодаря которому достигается вза­имная адаптация видов друг к другу и к изменяющимся условиям среды.

Отсутствие естественного отбора и низкое видовое разнообразие расте­ний агроценозов служит главной причиной их высокой подверженно­сти пагубному влиянию сорняков и вредителей.

Существование агроценозов всецело связано с воздействием челове­ка. Если оно прекращается, искусст­венное растительное сообщество сменяется природной растительностью.

В настоящее время в сельском хо­зяйстве наметились тенденции, направленные на повышение устойчи­вости агроценозов путем совместного возделывания нескольких культур, уменьшения размеров сплошных по­севных площадей, чередования их с лесопосадками и пастбищами; использование для борьбы с сорняками и вредителями растений биологиче­ских мер, отказ от глубокой вспашки. Эти мероприятия способствуют созданию агроценозов по своим пока­зателям, приближающимся к природным экосистемам.

Большинство агроценозов, строго говоря, нельзя рассматривать как экосистему, так как они не способны самовозобновляться и могут существовать только при постоянном воз­действии человека. В наибольшей мере, свойства экосистемы присущи агроценозам, создаваемым из долгоживущих лесных растений.

Биосфера

Границы биосферы

Биосфера — оболочка Земли, в той или иной степени преобразован­ная настоящей или прошлой деятель­ностью живых организмов. Ту часть биосферы, где живые организмы встречаются в настоящее время, на­зывают современной биосферой.

Первоначально термин «биосфе­ра» был предложен австрий­ским геологом Э. Зюссом для обозна­чения тонкой пленки жизни, покры­вающей земную поверхность. Позд­нее русский ученый В. И.

Вернадский создал учение о биосфере как глобаль­ной системе нашей планеты, в кото­рой основной ход геохимических и энергетических превращений опре­деляется живым веществом, т. е. со­вокупностью всех живых организмов планеты.

В биосфере проходят поверхности раздела между вещест­вами, находящимися в трех фазах — твердой, жидкой и газообразной, на границах которых, благодаря мощ­ному потоку солнечной радиации, происходит активный обмен вещест­вом и энергией, что послужило пред­посылкой для возникновения и даль­нейшего развития жизни. Биосфера включает верхнюю часть литосферы, гидросферу, тропосферу и нижнюю часть стратосферы (рис 20.1).

Литосфера — внешняя твердая оболочка земного шара. Верхняя часть лито­сферы состоит из вторичных осадочных горных пород (песка, глины и др.), образованных наносами частиц, разрушенных выветриванием материнских пород (гранита и базальта).

Гидросфера образована всей совокупностью океа­нов и морей, которые называют Мировым океаном, а также озер и рек. Атмосфера — газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосфера про­стирается на высоту около 100 км. Нижний ее слой, высотой в среднем 15 км, называется тропосферой.

Над ним расположен слой стратосферы, который на высоте бо­лее 50 км сменяется ионизированной частью верхней атмосферы — ионосферой, посте­пенно переходящей в межпланетное пространство.

Границы биосферы определяются наличием условий, необходимых для жизни организмов. Верхняя граница биосферы образована озоновым слоем, расположенным на высоте 20—25 км.

Все живое, проникающее выше озонового слоя, задерживающего жесткое ультрафи­олетовое излучение солнца, погиба­ет. Нижняя граница биосферы опус­кается в глубь литосферы до 3 км.

Проникновению жизни на большую глубину препятствует высокая тем­пература земных недр.

Источник: https://studopedya.ru/1-115253.html

Устойчивость экосистем. сукцессии

Важнейшим свойством экологических систем является их устойчивость, т. е. постоянство, которое поддерживается цепями питания. Именно благодаря постоянству цепей питания в природе поддерживается экологический гомеостаз.

При этом важно заметить, что устойчивость экологических систем имеет исторический характер, а регуляция тех немногих экологических систем, в которых человек не имеет значения, обеспечивается такими факторами, как конкуренция, миграция, хищничество, недостаток корма или питательных веществ в почве, болезни, температура и другими естественными факторами.

Напротив, в экологических системах, где сообщества людей имеют важное значение, в качестве регулирующих механизмов действуют не только механизмы, названные выше, но и механизмы, действующие непосредственно в человеческом обществе.

Ими являются законы, общественное мнение, поощрения и наказания, снабжение и потребление, конкуренция, образование, воспитание навыков экологической культуры, здравоохранение и т. д.

Благодаря этим и другим экономическим, социальным и политическим механизмам каждая социальная группа сохраняет свой рабочий баланс в изменяющихся условиях окружающей среды, что оказывает существеннейшее влияние на устойчивость экологических систем.

Следовательно, природные и общественные механизмы способны поддерживать экологическое равновесие и, следовательно, поддерживать динамический баланс между видами в экологических системах и между разными экологическими системами, в разных географических зонах.

Наряду с устойчивостью, экологическим системам присуща так называемая экологическая сукцессия, заключающаяся в смене сообществ организмов в ходе исторического развития природы, т. е. в замене одних сообществ растений и животных (их видов) в экосистеме растениями и животными других сообществ (видов).

Для экологической сукцессии, как исторического процесса, характерен ряд закономерностей.

Прежде всего, процесс экологической сукцессии весьма длителен во времени, поскольку он заключается не в быстрой и внезапной замене одних сообществ другими, а в медленной и нерегулярной замене одних видов животных или растений в сообществах другими видами, но после того, как начался процесс изменения абиотических факторов, т. е. изменяются условия абиотической среды.

Условия, создаваемые организмами видов, начинающих сук-цессий первыми, благоприятствуют затем для внедрения в экологическую систему организмов других видов, которые, как правило, оказываются лучше адаптированными к изменившимся условиям. Благодаря этому они быстрее заменяют организмы, ставшие менее приспособленными к новым условиям существования.

Таким образом, развитие новых экологических систем (в результате сукцессии) начинается с замены первичного сообщества растений и животных более совершенными сообществами растений и животных.

В конечном итоге в экологической системе устанавливается постоянное сообщество, которое разрушается лишь при воздействии на экосистему каких-либо сильнодействующих факторов.

Сообщества организмов, которые в течение длительного периода существования экологических систем не сменяются на другие сообщества, называют климаксными. Те же сообщества, которые появляются в результате сукцессии, получили название сериальных.

Обычно сукцессии совершаются в течение длительных промежутков времени, составляющих сотни или тысячи лет. Однако если же экологические системы подвергаются внешним воздействиям, то сукцессии происходят быстрее. Можно сказать, что в результате внешних воздействий на экологическую систему нарушается экологическое равновесие, т. е. происходят изменения (нарушения) в природе.

Таким образом, нарушения в природе являются результатом нарушения экологического равновесия, разрушения исторически сложившихся экологических систем.

Изменения сообществ в результате сукцессии заключаются в изменении видового состава растений и животных. Видовое разнообразие в новых сообществах зависит от многих факторов, начиная от устойчивости отдельных видов К сукцессиям и вхождения их в новые сообщества и заканчивая растениями и животными, легко заселяющими территории, подвергавшиеся хозяйственному воздействию со стороны человека.

Вернемся к озеру, избранному в качестве примера экологической системы. Типичным примером сукцессии является подсыхание и загрязнение озера травянистой растительностью, превращение его в болото, а затем в неудобье, загрязненное кустарником.

Несомненно, что наряду со сменой растительности здесь происходит и смена животного мира. Очень иллюстративным, возможно, глобальным примером сукцессии является подсыхание Аральского моря, которое сопровождается появлением на месте бывшего морского дна новых сообществ растений и животных, включая мелких млекопитающих.

Дополнительные материалы:

Смена биоценозов. Сукцессии

Источник: http://dnatree.ru/ustojchivost-jekosistem-sukcessii/