Понятие и механизмы обеспечения

Устойчивость биосферы.

Основной задачей данного раздела безусловно является определение самого понятия устойчивости биосферы и иллюстрация действия механизмов, заложенных самой природой для её обеспечения. Этот материал излагается в подразделе 2.3.1 «Понятие и механизмы обеспечения» с привлечением и опорой на информацию о биосфере, строении и функционировании экологических систем, изложенную в предыдущих разделах. В этом подразделе затрагивается вопрос круговорота вещества и трансформации энергии в экологических системах, но только в рамках так называемого малого или биогеохимического цикла. Понятие о большом круговороте и представление о ресурсах и схемах круговорота ряда важных основных биогенных химических элементов, таких как кислород, углерод, азот, фосфор и др, а также их соединений рассматривается    в подразделе 2.3.2 «Круговорот вещества и трансформации энергии в природе».

По мнению автора учебного пособия такие вопросы, как основные законы организации экосистем, а также понятие об эволюции экосистем и сукцессии также примыкают к разделу «Устойчивость биосферы».

Понятие и механизмы обеспечения.

Устойчивость биосферы означает её способность при воздействии на неё возмущающих деструктивных факторов (оговоримся при этом: - факторов, по энергетической силе воздействия не выходящих за пределы разрушительных, приводящих к катастрофическим, необратимым для системы последствиям) самовосстанавливаться до состояния близкого к тому, в котором она пребывала изначально до приложения воздействия. Это означает, что устойчивая экологическая система сохраняет состав и структуру присущего ей биоценоза, биотопа, а также сохраняет динамику внутренних и внешних процессов обмена и трансформации вещества, энергии и информации. То есть система сохраняется и продолжает свое эволюционное развитие в новых изменившихся условиях.

Какие внешние исходные условия по отношению к биосфере (а следовательно, и ко всем, представляющим/составляющим ее природным комплексам) и какие внутренние свойства и механизмы, присущие элементарной структурной единице природной среды – экологической системе, в узком её смысле и значении, (а следовательно, и всем более масштабным природным комплексам, вплоть до биосферы) служат залогом стабильности как биосферы в целом, так и составляющих ее природных комплексов на каждом иерархическом уровне их размерности и сложности?

Для ответа на первую часть вопроса о роли и влиянии внешних условий/факторов на устойчивость биосферы и составляющих её природных комплексов необходимо снова обратиться к табл. ….  из раздела 2.2.4. Для удобства восприятия излагаемого далее содержания воспроизведем её здесь снова.

Таблица …….    

Масштабно-иерархические уровни экологических систем и действующих факторов их формирования [Бродский А.К. Экология]

 

Уровни экосистемы	Масштаб фактора
Биосфера	космический фактор
Экосистемы суши и океана	геологический фактор
Биогеографическая область	фактор эволюции
Биом	фактор климатического климакса (региональный климат)
Ландшафт	фактор регионального рельефа
Биогеоценоз	фактор эдафического климакса (локальные условия - мезоклимат).

 

Представляется достаточно очевидным, что устойчивость каждого из экосистемного уровня (Биосфера, Экосистемы суши и океана, Биогеографическая область, Биом, Ландшафт, Биогеоценоз) может быть обеспечена при условии стабильности соответствующих действующих факторов и условий  их формирования (соответственно: - Космический фактор, Геологический фактор, Фактор эволюции, Фактор климатического климакса (региональный климат), Фактор регионального рельефа, Фактор эдафического климакса (локальные условия - мезоклимат).

Действительно, очевидно было бы невозможно наблюдать /иметь устойчивую биосферу Земли при нестабильной в целом гелиопланетной космической системе. Постоянство же космического, самого масштабного воздействующего фактора, очевидно поддерживает стабильность всех других обозначенных факторов, по цепочке вниз (в сторону уменьшения значимости фактора) вплоть до фактора эдафического климакса. И, повторимся, стабильность каждого воздействующего фактора, поскольку он (фактор) в тоже самое время представляет собой и стабильные условия формирования соответствующих экосистемных уровней обусловливает и их стабильность и устойчивость.

Однако, стабильность самих формирующих факторов, есть необходимое, но недостаточное условие создания соответствующих им устойчивых экологических систем, стабильно функционирующих на протяжении многих сотен и тысяч лет.

И здесь мы должны обратиться ко второй части выше сформулированного вопроса, а именно: - какие внутренние свойства и механизмы экологической системы, служат залогом стабильности как биосферы в целом, так и составляющих ее природных комплексов на каждом иерархическом уровне их размерности и сложности? За ответом на этот вопрос необходимо обратиться к разделу 2.2.3 «Строение и функционирование экосистем». Предварительно, полагаю, полезно напомнить основные свойства экологических систем, сформулированные в разделе 2.2.2 «Экологические системы: определение, признаки идентификации, свойства и общая концепция».

Основные свойства экологических систем, равно как и биосферы:

Открытость (обмен веществом и энергией с космосом.)

Централизация (центральным объектом биосферы являются все живые организмы).

Цикличность (круговорот веществ и связанная с ним неисчерпаемость химических элементов и их соединений).

Разнообразие (сред, природных зон, видов живых организмов).

Саморегуляция /(устойчивость) (способность поддерживать постоянство химического состава и интенсивность течения физиологических процессов; основана на принципе обратных связей).

Биологическая продуктивность (наращивание биомассы растений и животных).

Эволюция (непрерывность развития)

Рассмотри подробнее, как каждое из вышеприведенных свойств экологических систем и биосферы работает как механизм, обеспечивающий их устойчивость.

Открытость. Это свойство биосферы обусловливает исходную стабильность факторов воздействия или иными словами стабильность условий формирования биосферы и составляющих ее природных комплексов, о чем было сказано выше при рассмотрении ответа на первую часть вопроса о роли и влиянии внешних условий/факторов на устойчивость биосферы и составляющих её природных комплексов.

Централизация. Интерпретируя свойство централизации можно его представить в несколько более развернутом виде. Устойчивость экосистем и  биосферы обусловлена проявлением геохимической функции живого вещества, реализуемой через питание, дыхание, размножение и смерть организмов. Участие живого вещества в биологическом круговороте, сбалансированное равновесие количества получения ресурсов (органических веществ, минерального питания и солнечной энергии) и их расходования - одно из важных условий поддержания устойчивости экосистемы.

Средообразующие функции живого вещества создали и поддерживают в равновесии баланс вещества и энергии в биосфере, обеспечивая стабильность условий существования организмов, в том числе человека. Вместе с тем живое вещество способно восстанавливать условия обитания, нарушенные в результате природных катастроф или антропогенного воздействия. Эту способность живого вещества к регенерации экологических условий выражает принцип Лe Шателье, заимствованный из области термодинамических равновесий.

Принцип Ле Шателье заключается в том, что изменение любых переменных в системе в ответ на внешние возмущения происходит в направлении компенсации производимых возмущений. В теории управления аналогичное явление носит название отрицательных обратных связей. Благодаря этим связям система возвращается в первоначальное состояние, если производимые возмущения не превышают пороговых значений. Таким образом, гомеостаз, или устойчивость, экосистемы оказывается явлением не статическим, а динамическим.

Таким образом, устойчивость биосферы основана на постоянной экспансии живого вещества, борьбе за существование и вытекающем из нее естественном отборе, охватывающем не только отдельные организмы, но и целые популяции, сообщества и в конечном счете биогеоценотический покров всей Земли

Цикличность. Одним из наиболее важным для сохранения устойчивости экологической системы является цикличность ее функционирования, то есть многократное использование биогенных веществ, которое лежит в основе биологического круговорота. Водород, кислород, углерод, азот, фосфор и другие биогенные элементы совершают в экосистеме постоянные и многократные миграции между телами живых организмов и физической средой. Циклическое использование ограниченных по запасам веществ делает их практически неисчерпаемыми. На этом основана бесконечность жизни экосистемы и ее устойчивое существование, иначе она очень быстро исчезла бы, израсходовав все доступные ресурсы. Наряду с образованием органических веществ и аккумуляцией энергии в круговороте, то есть постоянным притоком веществ и необходимой энергии, устойчивость экосистемы обеспечивает постоянно идущий отток (выход) из экосистемы преобразованной энергии и избыточных продуктов обмена, разрушение сложных органических соединений и их превращение в простые минеральные вещества (воду, углекислый газ, аммиак, различные соли и пр.). Чтобы биосфера могла существовать, процессы создания и разрушения органических веществ в ней должны постоянно поддерживаться в равновесном состоянии.

Разнообразие. Как условие сохранения устойчивости экосистемы большое значение имеет ее сложность. Это следует из положения общей теории систем о том, что чем более сложной является система и ее структура, и чем выше степень её упорядоченности, тем более устойчивой она оказывается. Применительно к биосфере можно утверждать, что ее сложность обусловлена чрезвычайно большим, огромным числом разнообразных природных комплексов, природно-климатических зон и трудно поддающимся строгой систематизации невероятно большим разнообразием видов живых организмов. Огромное число видов позволяет строить самые разнообразные трофические цепочки и сети с возможностью их дублирования и резервирования, что служит безусловно повышению надежности и устойчивости экологических систем и биосферы в целом. Исходя из этого можно утверждать, что устойчивость глобальной экосистемы находится в прямой зависимости от того, насколько велико количество компонентов, способных поддержать ее функционирование. Поэтому от многообразия природных комплексов живых организмов (биогеоценозов), распространившихся по всей поверхности Земли («растекание» жизни), зависит устойчивость биосферы.

Саморегуляция. Дополнительным фактором обеспечения устойчивости экологических систем является саморегуляция. Рассмотрим механизм ее действия на примере изменения динамики популяций.

Сохранность того или иного вида в сообществе основана на постоянной борьбе жизни и смерти. Популяция вида жизнестойка, если существует равномерный поток особей, протекающий через все возрастные классы данной популяции от рождения до биологической старости. Если смертность будет превышать рождаемость, популяция деградирует; если количество молодых видов будет превышать смертность — популяция будет распространяться и вытеснять другие виды.

В основе существования любой популяции лежит конфликт между свойственной организму тенденцией увеличивать свою численность и разнообразными ограничениями, которые препятствуют такому увеличению.

При ухудшении биотических и абиотических условий среды в популяции могут сохраниться только особи, которые генетически лучше приспособлены к суровому природному окружению. Общее же число особей в популяции при этом уменьшится за счет гибели слабых. Уменьшение численности популяции приводит к уменьшению потребления и нагрузки на среду, вследствие чего пищевой ресурс среды увеличивается и улучшается общее качество её состояния. По прошествии некоторого времени окружающая популяцию среда восстанавливается настолько, что вновь создаются благоприятные условия существования популяции и численность начинает возрастать, пока не достигнет некоторого значения, соответствующего состоянию стабильности, состояния соответствия численности популяции и состояния среды ее обитания, то есть стации. При дальнейшем увеличении численности популяции нагрузка на среду вновь окажется чрезмерной, её состояние ухудшится и процесс снова повторится.

Биологическая продуктивность и Эволюция. Эти свойства биосферы и составляющих ее экологических подсистем по сути своей иллюстрируют механизм устойчивости за счет организующего, исходного начала внутренней стабильности экосистем, каковым является живое вещество. Таким образом эти свойства вновь как и свойство «Централизация» указывают на главенствующую роль живой материи механизмах обеспечения устойчивости биосферы.

 

 

Контрольное задание всем: