Биом - это макросистема, совокупность экосистем, тес­но связанных климатическими условиями, потоками энер­гии, круговоротом веществ, миграцией организмов и типом растительности

Основные типы наземных биомов - это пустынные, травянистые и лесные экосиаемы. Каждой экосистеме присущи свои типичные

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

сообщества растений, животных и редуцентов, которые приспособ­лены к определенным климатическим условиям. Среднегодовое коли­чество осадков, среднегодовая температура и их колебания в тече­ние года - основные факторы, которые срормируют сообщества пустынь, лугов и лесов в тропических, умеренных и полярных широ­тах. Важными факторами также являются: циркуляция воздуха, распределение солнечного света, сезонность климата, высота и ориентация гор, гидродинамика вод.

Наземные формации в основном определяются раститель­ностью, так как растения теснейшим образом зависят от клима­та, и именно они образуют основную часть биомассы. Лимити­рующим фактором, формирующим ее характер на большей части Земли, является количество осадков.

В пустыне испарение менее^ 250 мм в год, но при этом превышает количество осадков. Наблюдаются контрасты между дневными и ночными температурами. Здесь произрастает скуд­ная, разреженная, низкорослая растительность.

Травянистые экосистемы приурочены к регионам, где средне­годовое количество осадков достаточно для произрастания трав, но выпадают они неравномерно. Периодические засухи и пожа­ры препятствуют развитию древесной растительности.

Леса, состоящие из разнообразных пород деревьев и низкорос­лой растительности, покрывают ненарушенные территории со средним и высоким количеством осадков.

Климатические условия местности меняются в зависимости от широты и ее высоты над уровнем моря. Среднегодовая тем­пература на экваторе 26 °С, на широте 40 ° - около 13 °С. При движении от экватора к полюсам климат становится прохладнее и влажнее. Соответственно меняется и тип растительности. С увеличением высоты над уровнем моря климат также становится более прохладным и влажным. Поэтому даже в тропических широтах высокогорья покрыты снегами и льдами.

Растения, характерные для Арктики, могут встречаться в высо­когорьях теплых широт (альпийская тундра, например). Сходную

последовательность смены растительных сообществ можно на­блюдать, проезжая тысячи километров от экватора на север или просто поднимаясь в горы (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Смена растительных сообществ в зависимости от географической широты и высоты в горах

Все три типа наземных биомов (пустыни, трявянистые сообщества, леса) встречаются практически во всех географических широтах, кроме ледников. В каждом климате они имеют свои особенности, специфическую растительность, которые формируют и сообщества животных организмов, адаптированных к этим условиям.

Существуют биомы, занимающие промежуточное положение, например, полувечнозеленый тропический лес с выраженными клажными и сухими сезонами. Границы между биомами чаще

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

размыты и представляют широкие переходные зоны - экотоны. Самый богатый по числу видов наземный биом планеты - это вечнозеленый дождевой тропический лес.

■ Водные экосистемы меньше зависят от климата, чем назем­ные. Они формируются в зависимости от глубины водоема, содер­жания растворимых солей, глубины проникновения солнечных лу­чей, количества растворенного в воде кислорода, доступности пита­тельных элементов, гидродинамики и температуры воды. Эти факто­ры определяют горизонтальное и вертикальное размещение орга­низмов. Соли, растворенные в морской воде (в основном NaCl), меняют и физические свойства воды. Так, морская вода, в отличие от пресной, замерзает при температуре ниже О °С.

По степени солености водные экосистемы подразделяют на морские, солоноватоводные и пресноводные.

Морские экосистемы образуют морские биомы, к которым

ОТНОСЯТ также ЭСТуарИИ (лат. aestuarium - заливаемый приливом), Т. е.

воронкообразные устья рек, где соленые воды смешиваются с пресной водой; прибрежные болота и коралловые рифы. Рас­пределение морских биомов показано на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Деление мирового океана на зоны в зависимости от глубины

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

Прибрежное океаническое мелководье, ограниченное с од­ной стороны берегом, а с другой - гребнем континентального склона (до 600 м), называется континентальным шельфом (англ. shelf - полка). Площадь шельфа составляет около 8 % от общей площади мирового океана. В области шельфа расположена литоральная зона, которая подразделяется на супралитораль, собственно литораль и сублитораль. Неболь­шие глубины, близость к материкам, приливы и отливы определяют ее насыщенность питательными веществами, доступность солнеч­ного света, высокую продуктивность и разнообразие организмов. Здесь производится свыше 80 % всей биомассы океана и скон­центрирован мировой океанический промысел.

От нижнего края шельфа над континентальным склоном до глубины 2 - 3 тыс. м простирается батиальная зона (г_Р. bathys -глубокий). Площадь этой зоны - чуть более 15 % от всей площади океана. Фауна и флора батиали гораздо беднее, чем литорали; общая биомасса не превышает 10 % биомассы мирового океана. От подножия континентального склона до глубин 6 - 7 тыс. м находится абиссальная область (гр. abysses - бездна) океана. Она занимает более 75 % дна океана. Абиссаль характеризуется отсут­ствием солнечного света у дна, слабой подвижностью водных масс, ограниченностью питательных веществ, бедностью животного мира, низким видовым разнообразием, биомассой от 0,5 до 7,0 г/м² (в литорали она исчисляется десятками и сотнями г/м²). В абиссаль­ной области могут встречаться глубокие впадины - до 11 тыс. м, площадь которых около 2 % от общей площади дна океана. Открытую часть океана часто называют «пустыней».

Эстуарии и прибрежные заболоченные земли играют большую роль в природе и жизни людей, хотя многие обыватели и неком­петентные чиновники полагают, что это бесполезные территории, кишащие комарами. Долгое время считалось, что их следует осу­шать, застраивать или использовать для свалки отходов.

На самом деле это высокопродуктивные экосистемы, которые предоставляют условия для питания и размножения многим рыбам,

75

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

моллюскам и другим морским организмам. Кроме того, здесь гнездятся водоплавающие птицы и нерестится около 70 % промыс­ловых морских организмов: креветки, лосось, устрицы, пикша и многие другие. Коммерческое и промышленное рыболовство разви­вается в основном в этих зонах, дает ежегодно многомиллиардные доходы и обеспечивает миллионы рабочих мест. В прибрежных районах происходит разбавление и фильтрование сбрасываемых загрязненных вод, а следовательно, улучшаются экологические условия для рекреации, рыболовства и обитания диких животных. Они, как губка, поглощают паводковый сток. Эти территории относятся к продуктивным и ценным природным экосистемам.

Именно вблизи этих водных экосистем наиболее плотно се­лятся люди; они используются и подвергаются негативным влияни­ям человека. В результате антропогенных воздействий нарушаются или даже утрачиваются многие важные функции этих экосистем. Коралловые рифы встречаются в прибрежных зонах океана в тропических и субтропических широтах при температуре воды выше 20 °С. Они образуются в результате жизнедеятельности колониальных неподвижных морских животных, прикрепляющихся к скалам и похожих на растения, - кораллов. Кораллы имеют известковый скелет и могут достигать громадных размеров. На­растая со дна к поверхности, они образуют рифы и целые острова, которые могут простираться на многие километры. Сложное строение и разнообразие рифов с большим количе­ством красных и зеленых водорослей привлекает сюда рыб и другие организмы. Не менее трети морских рыб и других мор­ских животных обитают в коралловых рифах. Это наиболее продуктивные морские экосистемы. Кроме того, кораллы, благо­даря красочным пигментам и разнообразию форм, являются одними из самых красивых морских животных, а известковые части благородных видов ценятся как драгоценные камни.

Пресноводные экосистемы отличаются низкой соленостью -это внутриматериковые водоемы. Ведущим фгактором в этих экоси­стемах становится скорость циркуляции воды. По этому признаку

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

различают логические (лот. btvs - омывающий), текучие воды, или водо­токи (реки, ручьи) И лентические (лат. /вп/е - медленно, спокойно), СТОЯЧИв

воды, или водоемы (озера, пруды, болота, водохранилища).

Реки и ручьи образуются либо из поверхностного стока атмосферных осадков, либо за счет питания из подземных вод. Территория, с которой вода, наносы, растворенные вещества смываются и текут с водотоками в главную реку, а затем в море, называется водосборным бассейном, который часто определяет гидрохимический состав воды. Сток с горных территорий - это турбулентный поток, образующий водопады и пороги. Он погло­щает из воздуха много кислорода. Растения в таких водотоках лишь прикрепленные, а из рыб преобладают холодолюбивые и требующие большого кличества кислорода, например форель. В зависимости от количества солей кальция и магния выделяют жестководные и мягководные водотоки.

Текучие воды играют важную роль в преобразовании земной поверхности, вымывая глубокие овраги и каньоны. С другой сто­роны, равнинные реки за счет аккумуляции наносов образуют холмы и даже горы.

Озера - это пресноводные естественные водоемы со стоячей водой. Они образуются при заполнении впадин земной поверх­ности атмосферными осадками или подземными водами. Древ­ние озера образовались в результате ледниковых процессов. По содержанию питательных веществ (в основном, нитратов и фос­фатов) озера делят на три основные группы: дистрофные - очень бедные, олиготрофные - бедные и эвтрофные - богатые биоген­ными веществами. В последних обитает большое количество мик­роскопических водорослей - фитопланктона, микроскопических животных - зоопланктона, а также многие рыбы. В глубоких эвтрофных озерах у дна бывает дефицит кислорода, особенно в зимний период, из-за поглощения его отмершими водорослями при аэробном разложении. Очень многие озера занимают про­межуточное положение между олиготрофными и эвтрофными, они называются мезотрофными.

77

Глава 2, Экосистемы - предмет экологии

В результате сброса в водоемы избыточного количества азота и фосфора озера могут быстро зацветать и переходить в эвт-рофное состояние. Этот нежелательный процесс может приводить к вторичному загрязнению воды и полной деградации водной экосистемы (см. гл. 8). В глубоких озерах умеренных широт зимой и летом наблюдаются значительные различия температур в верхних и нижних горизонтах воды. Это приводит к неравномер­ному распределению по вертикали питательных солей, кислорода и других ингредиентов. Такое явление называется вертикальной стратификацией. Весной и осенью происходит выравнивание тем­ператур и перемешивание поверхностных и глубинных вод. Раз­дел гидробиологии, изучающий озера, выделился в самостоятель­ную ДИСЦИПЛИНУ - ЛИМНОЛОГИЮ (гр. limne - озеро, logos - учение, наука).

Водохранилища - искусственные пресноводные водоемы, кото­рые соружаются с целью регулирования стока и аккумуляции воды. Сбрасываемые воды используются также для производства электроэнергии (ГЭС). Кроме того, аккумулированные в водо­хранилищах воды могут направляться на орошение или поступать в города для бытового и промышленного водоснабжения. Водо­хранилища используются также в целях рекреации. Однако они еще в большей степени, чем озера, подвержены эвтрофирова-нию, т. е. «цветут» и зарастают.

Наземные и водные экосистемы тесно взаимосвязаны. Наибо­лее важным процессом является смыв биогенных (нитраты, фос­фаты) и органических веществ с поверхности суши в водные экосистемы. Эти вещества составляют основу питания водных орга­низмов. Смываемая почва, попадая в озера и реки, осаждается на дне. Донные осадки постепенно преобразуют структуру вод­ных биоценозов. Водные экосистемы могут постепенно превра­щаться в наземные, но это длительный процесс.

С другой стороны, рыбы, моллюски являются пищей для мно­гих обитающих на суше животных, птиц и человека. Поэтому часть смытого питательного материала возвращается на сушу, участвуя в глобальном круговороте веществ.

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

Ш Антропогенные экосистемы обладают теми же основны­ми признаками, что и природные: определенной структурой биоценоза (продуценты, консументы, редуценты), потоком энер­гии и круговоротом веществ. Однако имеются и различия. Про­следим черты сходства антропогенных и природных экосистем и их отличия на некоторых примерах.

Город, особенно промышленный, является гетеротрофной экосистемой, получающей энергию, пищу, воду и другие веще­ства с больших площадей, находящихся за его пределами. Город отличается от природных гетеротрофных систем, примером ко­торых может служить устричная банка (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Гетеротрофные экосистемы (по Ю. Одуму, 1986, с изменениями): А - устричная банка; Б - промышленный город

Устричная банка целиком зависит от поступления энергии с большой площади окружающей среды. Существование города также поддерживается колоссальным притоком энергии извне, при этом возникает и огромный отток в виде тепла, промышленных и бытовых отходов. Однако потребности 1 м² города в энергии примерно в 70 раз превышают потребности устричной банки такой же площади и составляют около 4000 ккал/сут, а в год - около 1,5 млн ккал.

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

Большинство городов имеют «зеленый пояс», т. е. автотрофный компонент: газоны, парки, пруды, озера и т. п. Но органическая продукция этого зеленого пояса не играет никакой роли в снаб­жении энергией механизмов и людей, населяющих город. Город­ские парки представляют в основном лишь эстетическую и рекре­ационную ценность, смягчают колебания температуры, уменьшают загрязнения и шумовое воздействие, являются местом обитания птиц и мелких животных. Труд и горючее, затрачиваемые на их содержание, лишь увеличивают расходы на жизнь города. Ежегод­ные энергетические дотации для газона (труд, бензин, удобрения и т. п.) оцениваются приблизительно в 530 ккал/м². Без огром­ных поступлений извне пищи, горючего, электричества и воды люди погибли бы или покинули город.

Хотя площадь суши, занятая городами, не так уж и велика (1 -5 %), но, воздействуя на свои^обширные пригородные зоны, они изменяют водные пути, леса, поля, атмосферу и океан. Город может влиять на удаленный лес не только непосредственно загряз­нением воздуха или использованием продуктов леса и древесины, но и изменяя состав деревьев в нем. Например, спрос на бумагу оказывает экономическое давление: естественные леса, состоящие из деревьев разных пород и возраста, превращаются в плантации деревьев одного вида и возраста.

Гектар города потребляет приблизительно в тысячи раз боль­ше энергии, чем такая же площадь сельской местности. Образу­ющиеся в результате функционирования города тепло, пыль и другие вещества, загрязняющие воздух, заметно изменяют климат городов. В городах теплее, повышена облачность, меньше солн­ца, больше тумана, чем в прилегающей сельской местности. Строительство городов стало основной причиной эрозии почвы.

Размеры загрязнения среды на выходе города зависят от ин­тенсивности его жизнедеятельности и степени технического разви­тия. Отсутствие очистных сооружений для сточных вод и выбросов в атмосареру, переработки твердых отходов приводят к сильному негативному воздействию на среду в окрестностях города.

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

Город практически не производит пищу, он только перераба­тывает ее, не очищает воздух, почти не возвращает в круговорот воду и органические вещества, но находится в симбиотических отношениях с окружающей сельской местностью. Он производит и вывозит товары и услуги, деньги и культурные ценности, обога­щая этим сельское население и получая взамен услуги и пищу.

Город можно рассматривать как экосистему только в том случае, если учитываются его обширные пригороды. Одно из имеющихся, к сожалению, препятствий для такого разумного подхода - порочное административное разделение между горо­дом и сельской местностью. Пока городские и областные лиде­ры не научатся ставить общие интересы выше частных, управ­ление городом и областью как единой функциональной эколо­гической системой не может быть реализовано.

Агроэкосистемы, в отличие от городов, являются автотроаЬ-ными экосистемами, т. е. обладают обширным «зеленым по­ясом». Агроэкосистемы отличаются от естественных экосистем (лес, луг, поляна), работающих только на энергии Солнца. Они получают дополнительную энергию в виде мышечных усилий человека и животных, удобрений, пестицидов, орошающей воды, горючего, механизмов, машин и т. п. Для максимизации выхода какого-либо одного продукта человек резко снижает разнообра­зие организмов. Виды растений и животных подвергаются искусст­венному, а не естественному отбору. Сельское хозяйство исполь­зует только 30 % свободной от льда суши планеты: около 10 % -пахотные земли и приблизительно 20 % - пастбища.

Условно агроэкосистемы можно разделить на два типа.

Агроэкосистемы доиндустриального периода используют допол­нительную энергию в виде мышечных усилий человека и живот­ных. Они поставляют продукты питания в основном для семьи фермера и частично - на местный рынок.

Интенсивные механизированные агроэкосистемы получают энергетические дотации в виде горючего, химикатов, работы ма­шин. Эти высокопродуктивные системы производят продукты пита-

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

ния в основном на рынок; продукты питания превращаются в товар, играющий важную роль в экономике.

Доиндустриальное сельское хозяйство часто называют прими­тивным и направленным только на выживание. Тем не менее оно очень эффективно, если оценивать по количеству произведенной пищи на единицу затраченной энергии. Например, на огородах со смешанными культурами соотношение полученной и затрачен­ной энергии может составлять 16:1. Напротив, многие механи­зированные агроэкосистемы потребляют часто не меньше энер­гии, чем возвращают в виде продуктов питания. Однако даже хорошо приспособленные доиндустриальные системы, эффектив­но использующие энергию, часто не могут производить достаточ­ного количества избыточных продуктов питания, чтобы прокор­мить огромные города.

Таким образом, неиндустр*иализованное сельское хозяйство эффективно расходует энергию, но оно малотоварно. Как пра­вило, такие агроэкосистемы дают меньший урожай на единицу площади, чем интенсивное механизированное сельское хозяйство. Но, выигрывая в одном, человек проигрывает в другом - ничто не дается даром. Поскольку в развитых странах и интенсивность энергетических субсидий, и урожай, видимо, достигли максиму­ма, повышение вкладов в сельское хозяйство может привести к уменьшению выхода продукции (отрицательная обратная связь).

Может ли человек искусственно создать полноценную экосис­тему вне биосферы? Является ли даже такая совершенная техно­генная система, как космический корабль, в полной мере экоси­стемой? Может ли она долгое время функционировать за преде­лами биосферы? Попытаемся ответить на эти вопросы.

Космический корабль, предназначенный для длительных путе­шествий, представляет собой как бы миниатюрную экосистему, вклю­чающую человека. Пилотируемые космические корабли в настоящее время снабжены модулями жизнеобеспечения запасающего типа: в них частично осуществляется регенерация воды и воздуха лишь физи­ко-химическими методами. Для настоящих регенерационных экосис-

тем, которые могли бы долгое время находиться в космосе, ничего не получая с Земли, по­требовались бы сообщества ра­стительных и крупных животных организмов, которые могли бы использоваться человеком в пищу, значительное видовое разнооб­разие их и большие емкости для воздуха и воды.

Рис. 2.13. Сравнительные объемы атмосферы и океана, приходящиеся на 1 м² суши (по Ю. Одуму, 1986)

Основная задача, которую предстоит решить, - чем заменить буферную способность атмосфе­ры и океана, благодаря которой очищаются отходы, стабилизиру-

ются и поддерживаются условия жизни в биоссрере в целом. На Земле на 1 м² суши приходится более 1 000 м³ буферной емкости атмооферы и почти 10 000 м³ океана плюс большие объемы рас­тительности (рис. 2.13).

Атмосфера, океан и растительность выполняют роль накопи-телей и регенераторов отходов. При длительном пребывании че­ловека в космосе часть этой бусрерной функции должны взять на себя механические устройства, работающие на солнечной и, воз­можно, атомной энергии.

Однако, по выводам Национального управления по аэронав-(ике США, на современном этапе развития невозможно создать безопасную и надежную закрытую экологическую систему жизне­обеспечения даже для использования ее на Земле. Создать миниа-тюрную модель биосферы, т. е. искусственную экосистему без притока и оттока вещества и энергии, с полной регенерацией отходов и регуляцией условий, для использования ее в космосе не только сложно, но и очень дорого.

Правда, некоторые энтузиасты освоения космоса, например физик Дж. О'Нейл (1977), предсказывали, что в XXI веке воз-

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

Глава 2, Экосистемы - предмет экологии

никнут космические поселения, обеспечиваемые функциониро­ванием тщательно отобранной биоты, свободной от паразитов и других непродуктивных организмов. Для поддержания таких поселе­ний можно будет использовать солнечную энергию и минераль­ные богатства спутников планет Солнечной системы. В связи с тем что буферные объемы воздуха и воды будут невелики, воз­можность поддержания такого поселения без поступлений извне кажется сомнительной.

В заключение еще раз следует подчеркнуть, что функцио­нирование экосистемы обеспечивается взаимодействием трех основных составляющих: сообщества, потока энергии и круго­ворота веществ (рис. 2.14).

Рис. 2.14. Блоковая модель экосистемы (по Ю. Одуму, 1986, с изменениями): А - автотрофы; Г - гетеротрофы; 3 - запасы питательных веществ

Поток энергии направлен в одну сторону, часть ее преобра­зуется автотрофами в органическое вещество, которое затем используется гетеротрофами. Но большая часть энергии покида­ет экосистему в виде рассеивающегося тепла.

В отличие от энергии, элементы питания и вода могут исполь­зоваться многократно.

Все экосистемы в составе биосферы являются открытыми,
они должны получать энергию, вещества и организмы из среды
на входе и отдавать их в среду на выходе экосистемы. Экосисте­
ма не может быть герметичной, так как ее живое сообщество не
вынесло бы такого заключения. ^/т^ч

Контрольные вопросы

1. Из каких компонентов состоят экосистемы?

2. Какие биосистемы изучает экология?

3. Какие компоненты экосистемы относятся к абиотическим?

4. Какие компоненты экосистем относятся к биотическим?

5. Какие организмы называются продуцентами?

6. Какие организмы называются консументами?

7. Какие свойства экосистемы называются эмерджентными?

8. Напишите уравнение фотосинтеза.

9. Напишите уравнение реакции аэробного дыхания.
10. Напишите уравнение реакции анаэробного дыхания.
1 1. Напишите уравнение реакции брожения.

12. Как соотносятся скорости автотрофных и гетеротрофных процессов в биосфере?

13. Чем можно объяснить накопление кислорода в атмосфере и горючих ископаемых в недрах Земли?

14. Что такое гомеостаз, с действием какого технического уст­ройства его можно сравнить?

15. Чем различаются управляющие механизмы в технических и экологических системах?

16. Приведите примеры положительной и отрицательной обрат­ной связи в экосистемах.

17. Что понимается под стабильностью экосистем?

18. Какие типы устойчивости экосистем вы знаете?

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

19. Что такое сукцессии?

20. Какие типы сукцессии вы можете назвать?

21. Как изменяются растительные сообщества при перемещении с юга на север и при подъеме в горы?

22. Какие морские и пресноводные экосистемы вам известны?

23. Каково основное отличие экосистемы города от агроэкоси-стемы?

24. Можно ли космический корабль назвать экосистемой?

ГЛАВА 3

ЭНЕРГИЯ В ЭКОСИСТЕМАХ

Глава 3. Энергия в экосистемах

Глава 3. Энергия в экосистемах

3.1. Преобразование ЭнерГИЯ (гр. energeia - деятельность] - ИСТОЧ-

энергии в экосистемах ник жизни, основа и средство управ­ления всеми природными и общест­венными системами. С помощью энергии выращиваются продукты питания, необходимые человеку и другим организмам; поддержи­вается температура тела и обогреваются жилища; производится промышленная продукция; создаются сложнейшие технические сооружения и устройства, интеллектуальные и культурные ценнос­ти. Энергия позволяет переводить вещества из одного состояния в другое, перемещать предметы и организмы, осуществлять кругово­рот веществ в природе и т. д.

Очевидно, что законы превращения энергии проявляются во всех процессах, происходящих в природе и обществе, включая экономику, культуру, науку и искусство. Энергия - движущая сила мироздания. Компонент энергии есть во всем: в материи, информации, произведениях искусства и человеческом духе.

Дата добавления: 2014-11-18