Причины устойчивости и смены экосистем
Содержание:
Одни биогеоценозы более стабильные, по сравнению с другими. Устойчивость естественных экосистем достигается с помощью видового разнообразия флоры и фауны, способности к саморегуляции численности особей в популяциях. Характерна высокая первичная продуктивность, практически отсутствуют неиспользованные органические остатки. Примеры стабильных экосистем: дубрава, влажный тропический лес, ельник, озеро (таблица 1).
Видовое разнообразие дубравы
Группы организмов по типу питания
Примеры растений, животных, микроорганизмов
Продуценты — растения
Верхний ярус — высокие деревья.
Дуб, ясень, клен, липа, дикая груша.
Средний ярус — кустарники.
Лещина, калина, бересклет, бузина, крушина.
Нижний ярус — травы.
Валериана, купена, медуница, чистотел.
Консументы — животные
Грызуны, зайцы, дикие кабаны, косули, зерноядные птицы.
Хищные птицы, ласка, куница, волк, лиса.
Редуценты
Факторы устойчивости дубравы:
Причина смены биогеоценозов — достижение стабильного состояния. Развитие продолжается до тех пор, пока не сформируется уравновешенное природное сообщество, которое способно поддерживать баланс веществ и энергии в экосистеме.
Смена экосистем сопровождается:
Неустойчивые экосистемы изменяются быстрее. Происходит смена растительного покрова, популяций животных. Постепенно, одни экосистемы превращаются в другие. На месте озера появляется болото, на заброшенной плантации шалфея восстанавливается степная растительность.
Существует две основные причины неустойчивости биогеоценозов:
Даже биогеоценозы с малым видовым разнообразием (тундра, полупустыня, пустыня) более устойчивы, по сравнению с искусственными экосистемами. Неустойчивость последних — следствие наличия монокультуры, простоты пищевых цепей, невозможности саморегуляции.
Тундры и пустыни без сильной антропогенной нагрузки, в условиях отсутствия значительных климатических изменений, способны существовать длительно. В этих и других устойчивых экосистемах все, что производят растения, используется гетеротрофными организмами.
Человек, изымая значительную часть органики в искусственно созданных экосистемах, прерывает естественные потоки веществ и энергии. Энергия частично возвращается с удобрениями, но этого недостаточно. Агроэкосистемы быстро деградируют без вмешательства человека (обработки почвы, внесения удобрений, борьбы с болезнями и вредителями).
Задания части 2 ЕГЭ по теме «Экосистема»
1. Что служит основой устойчивости экосистем? Укажите не менее трех причин их устойчивости.
1) Постоянный приток энергии извне (поток энергии) поддерживает круговорот веществ.
2) Прямые и обратные связи, например, хищники контролируют количество организмов-жертв, количество жертв влияет на численность хищников.
3) Большое видовое разнообразие (биоразнообразие) экосистемы позволяет при уменьшении численности одного вида заменить его другим в пищевой цепи.
2. В результате вулканической деятельности в океане образовался остров. Опишите последовательность формирования экосистемы на недавно образовавшемся участке суши.
На камнях поселяются водоросли, бактерии и лишайники. Они обеспечивают формирование почвы. На почве поселяются растения, семена которых заносит ветром или водой. После этого на острове расселяются небольшие животные, попавшие сюда по воздуху или по воде.
3. Каковы причины смены биогеоценозов?
1) Внешняя причина: пожар, наводнение и т.п.
2) В экосистеме создаются хорошие условия для заселения другими видами (например, зарастание березняка елью).
3) В экосистеме накапливаются продукты выделений, происходит самоотравление.
4. Чем характеризуется биологическое разнообразие, и какова его роль в природе?
Биологическое разнообразие характеризуется количеством видов. Роль биологического разнообразия – придание устойчивости экосистемам (чем выше биоразнообразие – тем больше цепей питания, тем более сложные пищевые сети, тем экосистемы более устойчивы).
5. Вырытый в ходе изъятия грунта котлован заполнили водой и запустили туда карпов для воспроизводства. Можно ли при этом считать этот водоём биоценозом, а группу карпов популяцией? Ответ обоснуйте.
1. Биоценоз — это исторически сложившаяся совокупность животных, растений, грибов и микроорганизмов, населяющих относительно однородное жизненное пространство, и связанных между собой окружающей их средой. Водоем с карпами возник совсем недавно, поэтому его нельзя назвать биоценозом.
2. Популяция — это совокупность организмов одного вида, длительное время обитающих на одной территории и частично или полностью изолированных от особей других таких же групп. Карпов нельзя назвать длительно обитающими на этой территории, поэтому их нельзя назвать популяцией.
6. Что такое сукцессия? Укажите не менее трех признаков первичной сукцессии.
1) сукцессия – последовательная закономерная и необратимая смена одного биоценоза другим на определенном участке;
2) развитие экосистемы на ранее незаселенных участках;
3) происходит длительное время;
4) начинается со мхов и лишайников.
7. При каких условиях большой котлован, залитый водой, может стать экосистемой? Приведите три условия.
1) водоем должны заселить разнообразные виды организмов разных функциональных групп (продуценты, консументы, редуценты);
2) между организмами должны возникнуть биотические связи, образоваться цепи питания;
3) должен сформироваться относительно сбалансированный круговорот веществ, что обеспечит длительность существования экосистемы
8. Экосистемы влажного экваториального леса и пустыни Сахара получают сходное количество солнечной энергии за год. Как абиотические условия существования данных экосистем связаны с их продуктивностью? Чем обусловлена большая устойчивость экосистемы тропического леса к внешним воздействиям? Ответ поясните.
1) экваториальный лес получает большое количество влаги, что позволяет растениям активно фотосинтезировать;
2) из-за этого продуктивность экосистемы данного леса намного выше;
3) более высокая продуктивность экосистемы позволяет ей иметь более длинные и более разветвленные пищевые цепи, что обуславливает её устойчивость
Устойчивость экосистемы.
Однако, в течение определенного и достаточно длительного времени экосистема устойчива и у этой устойчивости есть определенные критерии.
Критерий №1
Поток энергии и круговорот веществ.
Дальше по известной схеме трофических сетей органические вещества переходят с одного уровня на другой и поступают к редуцентам.
Критерий №2
Критерий №3
И все же экосистемы вечными не бывают.
Давайте рассмотрим примеры смен экосистем (кстати, в ЕГЭ эти вопросы встречаются в части С).
Абиотические разрушающие факторы: свет, выветривание, влажность;
Биотические разрушающие факторы: бактерии, лишайники, водоросли, грибы;
Создаются органические вещества, которые способствуют образованию почвы.
Затем появятся травянистые формы, потом кустарники и затем уже деревья.
Сукцессия водоема
Устойчивость экосистем
Устойчивость – способность экосистемы сохранять свою структуру и функциональные свойствапри воздействии внешних факторов, способность возвращаться в исходное состояние. Устойчивыми будут экосистемы в климаксовой стадии. Дубрава, ковыльная степь, тайга – пример упругих экосистем. Но и среди природных (зональных) экосистем есть различия в устойчивости. Лиственные леса более пластичны, чем хвойные. Степь устойчивее тундры. Все сукцессионные стадии – неустойчивые экосистемы, которые стремяться к устойчивости.
Главным условием устойчивости является видовое разнообразие. Устойчивость определяется соответствием видового разнообразия экосистемы условиям жизни и степенью развитости этих экосистем.
Видовое разнообразие обеспечивает функции экосистемы засчет:
1. Взаимной дополнительности видов. Н-р. В лесу виды делят свет по ярусам, в почве виды делят пищу, разделение труда у животных: время активности, место выведения потомства и т.д.)
2. Взаимозаменяемость видов. Со схожими экологическими требованиями виды могут заменять друг друга в выполнении функций. Н-р, насекомые опылители, разные виды елей, пихты.
3. Регуляторные свойства. Саморегуляция на свойствах обратной связи. Чем разнообразнее виды, тем больше у жертвы хищников.
Глобальная экологическая проблема – снижение видового разнообразия, которое грозит устойчивости всей биосферы. Важно не допустить снижения видового разнообразия до такого уровня, который отразится на устойчивости биосферы.
К неустойчивым относятся все антропогенные системы.
Агроэкосистемы. Пути повышения их устойчивости и урожайности.
Устойчивую регуляцию численности отдельных видов может осуществлять только сложное сообщество. Одно из современных направлений в сельском хозяйстве – поддержание как можно большего видового разнообразия на полях и их окружении. Из-за изъятия урожая агроценозы не в состоянии поддерживать круговорот веществ. Почва быстро истощается, если не вернуть в нее биогенные элементы в виде минеральных и органических удобрений. Поддерживать устойчивый биологический круговорот веществ можно при экологически грамотном создании агроэкосистем.
Агроэкосистемы – это такие сознательно спланированные человеком территории, на которых сбалансировано получение сельскохозяйственной продукции и возврат ее составляющих на поля. Высокое биологическое разнообразие поддерживается за счет специально спланированного ландшафта: чередование полей, лугов, перелесков, создание живых изгородей, лесополос, водоемов и т.п. Большую роль в поддержании разнообразия видов на полях играет правильная организация севооборотов, чередование культур во времени и в пространстве. Наиболее передовым направлением современного сельского хозяйства является переход от принципов противоборства с природой к принципам сотрудничества с ней. Это означает максимальное следование экологическим законам в сельскохозяйственной практике.
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:
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;
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.