Почему природные экосистемы устойчивы?

Рассмотрим экологическую систему как сообщество живых организмов вместе со средой, составляющих единое целое и непосредственно влияющих друг на друга. Заметим, что обе компоненты – и биотическая и абиотическая – тесно связаны друг с другом и не могут существовать раздельно. Например, почва – продукт деятельности живых организмов: не будет их, не станет почвы. Возникает вопрос: почему экосистемы устойчивы и со временем развиваются, почему хищники не до конца уничтожают численность жертвы, почему один вид не вытесняет другой?

Для описания состояния экосистемы требуется учет большого количества факторов, многие из которых сегодня до конца не изучены. Можно сказать, что знания об экосистемах на сегодняшний день – неполные. Мы не обладаем всей информацией о видовом разнообразии планеты, в настоящее время описано не более одной десятой всех видов. Слабым звеном являются микроорганизмы, играющие ведущую роль в жизни всей экосистемы в целом.

Существует достаточно условное деление на иерархию элементов, находящихся в системе. Заметим, что это искусственное деление и часто не представляется возможным провести четкие границы, т.к. каждый уровень интегрирован с другими. Нет даже четких разрывов между организмом и популяцией: организм не может длительное время выжить без популяции. А человек, являясь компонентом экосистемы, не может выжить без природы.

При этом следует выделить еще один важный фактор: принцип эмерджентности. Суть его в том, что свойства нового уровня нельзя свести к сумме свойств предыдущих уровней. То есть получить описание нового уровня мы можем лишь непосредственно его наблюдая. Учитывая этот фактор, можно прийти к выводу, что моделирование нового компонента экосистемы в лаборатории невозможно, если мы имеем сведения лишь о его составляющих.

Важнейшим отличительным свойством устойчивости является видовое разнообразие. С уменьшением видового состава резко падает устойчивость экосистемы. Чем больше в системе видов, тем больше вероятность приспособления их в случае изменения условий. Например, наиболее устойчивы тропические леса (около 8000 видов). В искусственных системах невозможно обеспечить устойчивость из-за малого количества видов, входящих в них. Например, агроценозы, где количество видов снижается до нескольких культур, вообще не могут существовать без поддержки человека.

Другим важным свойством, характеризующим устойчивость экосистемы, является ее стадия развития, или сукцессионная стадия. Существует несколько типов сукцессий – мы будем рассматривать эволюционные сукцессии, в ходе которых в экосистеме происходит смена биоценозов в сторону повышения устойчивости системы. Как правило, это очень длительный процесс, занимаемый десятилетия. Наиболее зрелой и стабильной системой является лес. Пахотные земли, напротив, - молодые сукцессионные стадии. В соответствии с правилом сукцессионного мониторинга, чем глубже нарушение среды, тем на более ранних фазах оканчивается сукцессия. И человек, грубо вмешиваясь в естественные стадии развития экосистемы, приводит ее в состояние деградации. Например, в Подмосковье по почвенно-климатическим условиям должны произрастать дубовые леса, как это было вплоть до 18 века. Однако в результате вырубки и хозяйственного освоения территорий, произошла смена биоценозов в сторону упрощения и появились еловые и березово-осиновые леса.

Таким образом, мы видим четкую организацию экосистем планеты: более простые системы входят в состав сложных, а те в свою очередь в глобальную экосистему планеты – биосферу. И невозможно проследить в полной мере за тончайшими взаимосвязями между компонентами одной экосистемы и между экосистемами в целом. А тем более воссоздать то же самое. Воистину взмах крыла бабочки на одном конце земного шара может вызвать ураган на другом.

Рассмотрим организацию жизни на примере водоема. Насекомые пресноводных водоемов питаются растениями, простейшие и ракообразные - водорослями. Рыбы и лягушки поедают насекомых, хищные рыбы охотятся за растительноядными, млекопитающие, входящие в биоценоз, питаются рыбой. Образовавшиеся органические вещества попадают на дно, где разлагаются бактериями на неорганические вещества, вновь используемые растениями и водорослями. Это очень упрощенная модель, как в любой экосистеме, в водоеме большое количество сложных связей. И попытки человека внести свои коррективы часто оканчиваются плачевно, например, при уничтожении бегемотов в африканских озерах оттуда исчезла рыба, т.к. фекалии бегемотов служили удобрением для развития фито- и зоопланктона.

Похожее происходит и в других биоценозах в случае вмешательства человека. В Германии при полной вырубке дубрав исчезли олени, чей помет служил пищей для почвенных организмов, удобряющих землю, на которой росли дубы. Впоследствии, на этом месте не смогли снова вырастить дубовую рощу.

Так как в понятие экосистемы входит еще и многообразие связей между видами – изменение численности одного вида приводит к изменению других компонентов системы. Между видами наблюдаются пищевые и непищевые связи (напр., один вид является средой обитания для другого). Условия, оптимальные для одних процессов, например роста организма, могут оказаться зоной угнетения для других, например для размножения, и выходить за пределы толерантности, то есть приводить к гибели, для третьих.

Можно ли теперь, с учетом этих фактов утверждать, что при условии вымирания одного вида не нарушится жизнедеятельность всей экосистемы?

Почему искусственные экосистемы нежизнеспособны?

Теперь перейдем к рассмотрению варианты создания искусственных экосистем. Начнем с агроценозов и завершим проектом конца 20 века Биосфера-2.

Итак, агроценоз – искусственная экосистема, созданная человеком: сады, парки, лесопосадки, огороды, поля, пастбища.

Главное отличие агроценоза от природной экосистемы – малое количество видов, преобладание одного вида над другим и короткие пищевые цепи. Поэтому их трофическая структура неизмеримо проще по сравнению с природными экосистемами.

В агроценозе часть органических и неорганических соединений периодически изымается в виде урожая, круговорот веществ становится незамкнутым. Вследствие этого агроценозы неспособны существовать без поддержки человека. Образующийся дефицит компонентов приходится постоянно восполнять в виде удобрений. В биоценозах, где все вещества возвращаются в почву, подобного исключения нет.

Основной проблемой искусственных экосистем является направление естественного отбора. Если в природе не выживают организмы, не способные к конкуренции, то человек искусственно создает преимущественные условия для одного вида, подавляя другой. Вредители и конкурирующие виды, создающие защитные механизмы у культурных растений уничтожаются. При культивировании одного вида растений происходит массовое распространение более конкурентоспособных сорняков. В 50-х годах в пойме Оки на юге Московской области располагались богатейшие разнотравные луга. Их перепахали под кукурузу, но размножившиеся паразиты так и не позволили собрать ни одного урожая этой культуры.

Энергозатраты на поддержку функционирования системы – другой важный фактор. Но если в природе биоценозы обходятся только энергией Солнца, передавая ее от продуцентов далее по пищевым цепям, то в агроценозах приходится тратить дополнительную энергию на обработку почвы, внесение удобрений и прочие сельскохозяйственные работы.

Особую проблему в агроценозах составляет эрозия почв: ввиду того, что у культурных растений слабая корневая система и почва достаточно обнажена, плодородный слой регулярно вымывается и выветривается. Там где для местности характерны дожди, ежегодно с полей уносятся миллионы тонн почвы. Разруха от ветровой эрозии не меньше.

Можно сделать вывод, что агроценозы – это незрелые системы, находящиеся в чрезвычайно нестабильном состоянии. Здесь важно отметить, что экосистема не может быть одновременно и высокопродуктивной и стабильной.

Проект Биосфера-2

В 1984 году в Америке был запущен проект Биосфера-2, на который было выделено 150 миллионов долларов. Цель – создание искусственной замкнутой экосистемы.

В экосистему, представляющую из себя огромную стеклянную оранжерею, были включены океан, пустыня, тропический лес и болото. Затем туда поместили 8 человек и стали наблюдать за развивающимися событиями. Со временем поселенцам стало не хватать пищи, содержание кислорода за два года упало с 21% до 14%, начались непредвиденные ситуации: например, ежедневно над пустыней выпадал дождь, что было связано с конденсацией влаги на стеклянной крыше. Стволы и ветви деревьев, произрастающих в Биосфере-2 стали хрупкими, т.к. создатели не предусмотрели ветер, важный для укрепления стволов. Появилось большое количество муравьев и тараканов. Устойчивость созданной системы стала неуклонно падать.

Проект «Биосфера-2» показал свою нежизнеспособность и сейчас используется для наблюдения за отдельными элементами экосистем.

Одна из участниц проекта написала на стеклянных стенах: «Только здесь мы почувствовали, насколько зависим от окружающей природы. Если не будет деревьев — нам нечем будет дышать, если вода загрязнится — нам нечего будет пить».

«Искусственная природа» – это миф, легко разоблачаемый основными законами экосистем и фактами, полученными при наблюдении за ними.

Заключение

Некоторые думают, что для сохранения биосферы следует вернуться обратно в пещеры и на луга, остановить фабрики и заводы. Однако нужно придерживаться золотой середины, не изобретая велосипед, то есть искусственную экосистему. Следует интенсивно развивать те научные отрасли, которые позволят сохранить высокий уровень жизни при минимальном воздействии на окружающую среду. Это и будет тем золотым веком технологий, о котором всегда мечтали.

Вернадский говорил: «Человечество является неотъемлемой частью биосферы и не может не зависеть от нее ни на одну минуту».

Сохранить природу намного проще, чем создать новую, искусственную.

Более полную информацию можно получить на сайте крупнейшего проекта по оценке состояния экосистем Земли, подготовленного силами более чем 1300 ученых из 95 стран. см. ниже

Фотография: