Вспомним, что каждая экосистема существует как целостное образование. В ней проявляются изменения, которые могут быть определены количественно. Показателем служит, например, численность видов организмов на каждом уровне цепи питания. Самая большая численность организмов приходится на растительное сообщество. При этом никогда не бывает так, чтобы вся растительностью была съедена полностью или все растительноядные животные стали жертвами хищников и были бы полностью уничтожены. Оптимальное соотношение численность организмов в экосистеме экологи называют «пирамидами численности». Их схематично представляют в виде пирамиды.
Пирамиды численности
В пирамиде численности очень важны соотношения на всех уровнях. Существенную роль при этом выполняют хищники, которые потребляют в первую очередь больных и ослабленных животных. Например, на Аляске, в одном из заповедников, чтобы защитить четыре тысячи оленей, был организован полный отстрел волков. В результате через 10 лет оленей стало 42 тысячи, они подорвали кормовую базу своего вида и стали вымирать.
С другой стороны, введение в экосистему нового вида может привести к серьезным ее изменениям, особенно если у иммигранта не будет естественных врагов.
Например, кролики, которые были завезены в Австралию, так размножились, что лишили корма овец и принесли фермерским хозяйствам огромные убытки. Справиться с ними смогли лишь с помощью вируса миксоматоза, который погубил около 98% кроликов.
В экосистеме можно выделить также «пирамиду биомасс». Установлено, что с каждым последующим звеном цепи биомасса уменьшается в 10 раз. Например, если биомасса луга составляет 1000 кг, то растительноядные животные с той же площади образуют биомассу не более 100кг, а биомасса хищников - не более 10 кг.
Пирамида биомасс
Можно представить и «пирамиду энергии». Когда животное поедает растение, то большая часть энергии, полученной с пищей, расходуется на процессы жизнедеятельности (движение, дыхание, рост и др.), а также превращается в тепло и рассеивается. Лишь от 5 до 20% энергии пищи переходит в построение тела животного. При поедании животного хищником снова теряется большая часть заключенной в пище энергии. И так на каждом уровне экологической цепи — часть полученной энергии рассеивается в виде тепла.
Пирамида энергии
Эти примеры говорят о том, что экосистемы обладают общими свойствами, они «живут», функционируют как целостные, единые образования. Ярче всего это проявляется в такой характеристике экосистемы, как саморегуляция. В чем это выражается? Рассмотрим такой пример. В урожайные годы возрастает количество травоядных. Хищники, обеспеченные пищей, быстро размножаются. Сокращение численности травоядных создает дефицит питания среди хищных видов, и в малокормные годы они почти не размножаются.
Другой пример. Каждые несколько лет численность популяций леммингов в тундре резко возрастает. Лемминги объедают тундровую растительность. Вещества растений через организм зверьков лишь спустя несколько лет после минерализации образуют плодородную почву с богатым и питательным растительным покровом. Численность леммингов снова возрастает. В малокормные годы их количество интенсивно сокращается не только из-зи недостатка питания, но еще и быстро размножившимися хищниками - песцами, лисами, совами. Так растения, лемминги и хищники осуществляют саморегуляцию тундровой экосистемы, сохраняя ее устойчивость и долговечность.
Видовой состав экосистемы колеблется вокруг точки равновесия, однако полное равновесие никогда не возникает. В отдельных звеньях экосистемы колебания численности видов происходят постоянно и в отдельных случаях могут быть весьма значительными. В целом любая экосистема не остается неизменной, она постоянно изменяется, развивается, эволюционирует. Однако до тех пор, пока существует ее целостность, в ней поддерживается такое направление процессов, которое «стремится» установить равновесие синтеза и распада веществ, рождаемости и гибели живых организмов. Конечно, полного и окончательного равновесия в природных системах не бывает. Можно говорить лишь о более или менее устойчивом равновесии в экосистеме.
При резком, скачкообразном изменении условий возможны только два варианта: либо устанавливается равновесие в измененной экосистеме, либо она вообще перестает существовать.
В целом, экосистема функционирует как единая, развивающаяся система, обладающая саморегуляцией.
Человек создает искусственные экосистемы, к ним относятся всего сельскохозяйственные, называемые агроэкосистемами, городские, промышленные, курортные и другие. Если сравнивать природную и искусственную экосистемы, то легко убедиться, что для жизни природных экосистем достаточно энергии Солнца, равновесие в них обеспечивается путем саморегуляции. Так, например, никто не удивляется тому, что лес или роща не требуют удобрения. В естественной экосистеме все химические элементы остаются в почве, участвуя и восполняясь в процессе круговорота веществ. Для поддержания, искусственных экосистем требуются дополнительные вещества и дополнительная энергия. Так, в агроэкосистеме дополнительными источниками энергии служат, например, энергия трудовой деятельности человека, энергия сжигаемого горючего. Наряду с убыванием химических элементов с каждым урожаем разрушается структура почвы, в ней остаются ядохимикаты, изменяется видовой состав почвенных организмов и многое другое.
Более того, человек практически целиком меняет природную экосистему, что выражается, прежде всего, в упрощении, т. е. снижении видового разнообразия, вплоть до сильно упрощенной монокультурной системы.
Животноводство - это также путь к упрощению экосистемы; охраняя полезных ему сельскохозяйственных животных (коров, свиней, овец и др.), человек уничтожает диких животных: травоядных, как конкурентов в пищевых ресурсах, хищников - как уничтожающих домашний скот.
Вылов ценных видов рыб упрощает экосистемы водоемов. Загрязнение воздушной и водной сред также ведет к гибели деревьев и рыб и «обирает» природные экосистемы.
В целом же, понятно, что, по мере роста народонаселения, люди преобразовывают все новые природные экосистемы в искусственные (например, путем уничтожения тропических лесов, осушения болот и т. п.). На поддержание этих систем увеличивается использование топливно-энергетических ресурсов; происходит утрата видового (генетического) разнообразия и природных ландшафтов. Естественные механизмы саморегуляции экологических систем оказываются недостаточными для их поддержания.
Закономерности существования экосистем распространяются и на биосферу - область распространения живого на Земле, которая, как известно, является глобальной экосистемой.
Как Вы думаете, почему сохранение биологического разнообразия на Земле - непреложное условие устойчивого развития биосферы?
Несмотря на многочисленные геологические катастрофы на протяжении истории Земли, жизнь сохранялась и развивалась, то есть биосфера обладает устойчивостью. Устойчивость биосфере придает огромное многообразие живых организмов, минералов, горных пород, органических и неорганических веществ, существующих в виде экосистем. Стабильное существование биосферы определяется строгой сбалансированностью компонентов, экосистем более низкого иерархического уровня. Оно является условием существования человека, который является ее неотъемлемой частью, и вне пределов которой он не может жить.
Если слишком сильно изменить какую-либо составляющую биосферы, она может полностью разрушиться. Это может быть связано с тем, что человек как вид увеличивает свою численность совершенно несоразмерно с другими существами, что создает все более тяжелую нагрузку на все экологические системы и одновременно снижает их продуктивность из-за загрязнения и чрезмерной эксплуатации биосферы. Естественные механизмы саморегуляции разлаживаются. Это делает биосферу неустойчивой. Человек должен знать и понимать, как работают экологические системы Земли и научиться подчинять свою деятельность задачам ее сохранения.
Как Вы понимаете такое выражение: «Человек должен сделать нравственный выбор путей развития биосферы»?
