Життя екосистем
Термін екосистема у 1935 р. запропонував англійський геоботанік А. Тенслі й визначив її як сукупність спільно існуючих організмів (та умов їхнього існування), пов'язаних між собою обміном речовин, енергії та інформації. У такому вигляді це визначення в основному збереглося до нашого часу. Найпростішим можна вважати таке визначення: екосистема — це незалежна й динамічна біолого-фізико-хімічна система, що постійно змінюється. Життя екосистем біологи починають вивчати з нижчих за рівнем (окремих озер, боліт, річок, невеликих лісових масивів, полів тощо), що при використанні засобів, техніки, коштів виконати значно легше, ніж для мезо- чи мегаекосистем. Підсумовуючи результати досліджень невеликих екосистем, які входять до значніших за масштабами, екологи роблять узагальнення, визначають типи й особливості їхніх взаємозв'язків, поступово вишукують закономірності складу, розвитку й функціонування найбільшої екосистеми планети — біосфери. Як правило, чітких, різких меж (кордонів) між екосистемами не існує, мають місце поступові переходи (наприклад, від лучних до лісових, від болотних до озерних, від середньогірських до високогірських). Ці перехідні зони називають екотопами. У межах кожної екосистеми діє більш-менш повний біологічний кругообіг речовин з участю продуцентів, консументів і редуцентів. Екосистеми можуть бути стійкими, з характерними особливо¬стями протягом довгого періоду, й короткочасними (тимчасові водойми). Для кожної системи характерний певний видовий склад, чисельність організмів, біомаса, відповідність певних трофічних груп, інтенсивність процесів продукування й деструкції органічних речовин. Останнім часом у зв'язку з освоєнням Космосу почали створювати штучні екосистеми (в космічних кораблях, спеціальних лабораторіях). Усьому світові став відомий дуже цікавий і складний експеримент — створення штучної екосистеми («мікробіосфери») американцями Дж. Алленом і М. Нельсоном у 1991р. в штаті Арізона («Арізонські мильні бульбашки»). Кожна екосистема має два головних компоненти: автотрофний — організм, що утворює своє тіло з мінеральних речовин і енергії, й гетеротрофний, який живить свій організм готовими органічними речовинами чи істотами.Склад екосистем: 1) неорганічні речовини; 2) органічні речовини; 3) кліматичні умови; 4) продуценти-автотрофи (зелені рослини й деякі бактерії); 5) фаготрофи або гетеротрофи — тварини; 6) сапротрофи — бактерії та гриби, що руйнують, розкладаючи їх органічні речовини. Процес розкладу дуже важливий, оскільки закінчується поверненням у кругообіг елементів мінерального живлення, а також допомагає утворенню їжі для деяких організмів у ланці живлення, утворенню біологічно активних речовин, утворенню грунтів із материнських порід. Умовою існування й нормального функціонування будь-якої екосистеми є наявність усіх ланок трофічного ланцюга (тобто ланцюга живлення). В екосистемах мають місце такі явища, як коменсалізм, мутуалізм і нейтралізм — різні форми співіснування живих істот (симбіоз). Розглянемо ці явища. Коменсалізм — коли для одного партнера співіснування є вигідним, а для іншого — нейтральним; мутуалізм — коли співіснування організмів є взаємовигідним; нейтралізм — коли співжиття організмів не дає їм ні позитивних, ні негативних наслідків. Кожен вид в екосистемі має своє функціональне місце — екологічну нішу, де він не конкурує з іншими видами за джерело енергії. Це фізичний простір, який займають організми кожного виду, з їхньою функціональною роллю в спільноті, розміщенням по відношенню до зовнішніх екологічних факторів, характером реакції на зміни останніх та морфоструктурним пристосуванням. Розумінню енергетичних процесів, які відбуваються в екосистемах, допомагає знання законів термодинаміки. Усі форми енергії поділяють на дві групи: потенційну й кінетичну. Потенційна — це та, яка в чомусь зосереджена й може бути використана за допомогою якогось вивільнюючого фактора (на¬приклад, енергія, сконцентрована у вугіллі, нафті, урановій руді чи їжі, яку ми вживаємо). Кінетична — це енергія об'єктів, що рухаються (енергія води, що падає, вітру, що дме, енергія мускулів людини чи тварини в дії тощо). Усі форми енергії підкоряються двом базовим законам, які називаються законами термодинаміки. Перший закон термодинаміки ще називають часто законом консервації енергії. Це означає, що енергія не може бути ні народжена, ні знищена, вона може бути тільки трансформована з однієї форми в іншу. Важливо, що при цьому кількість енергії не змінюється. В екологічних системах має місце велика кількість енергопе-ретворень: енергія Сонця (тепло і світло) перетворюється завдяки фотосинтезу в енергію продуцентів, енергія продуцентів — в енергію консументів різних рівнів і т. д. Сучасне людське суспільство теж перетворює в ході своєї щоденної діяльності величезні маси однієї енергії в іншу. Перший закон допомагає нам зрозуміти, що енергія існує в різних формах, а також те, що у всіх екосистемах ніколи не може бути більше енергії, яка виділяється, від тієї, яка надходить. Глибокі сучасні дослідження й розрахунки показали, що кіль¬кість енергії, яка надходить, завжди дорівнює кількості енергії, що виділяється. Перший закон підказує людині, що неможливо щось зробити з нічого, а також те, що ми повинні постійно контролювати витрату нашої енергії й не витрачати її більше, ніж передбачено балансами екосистеми чи біосфери, співвідносити вартість енергії з вартістю витрачених на неї ресурсів, транспорту, процесів трансформації і пов'язаних з ними забруднень. Другий закон термодинаміки теж має справу з енергією, але не з кількістю, а з якістю. Цей закон пояснює, що відбувається з які¬стю енергії, коли вона переходить з однієї форми в іншу. Другий закон стверджує, що при трансформаціях енергії вона з більш концентрованої переходить в менш концентровану, розсіюється. Другий закон широко використовується у нашому житті. Він говорить нам, що коли ми спалюємо нафту, вугілля, газ, наше постачання висококонцентрованої енергії скорочується (вичерпуються його резерви). Він також говорить нам, що ми не можемо повторно використати цю висококонцентровану енергію, оскільки після згоряння відбувається її розсіювання через тепло і витрати в просторі. І він застерігає нас не втрачати цей дорогоцінний ресурс. Ентропія екосистем. Космос є системою, що розкладається. Це пояснюється тим, що вся високоякісна енергія рано чи пізно перетворюється в тепло. Під час цієї конверсії матеріал теж піддається важливій зміні. Наприклад, шматок вугілля з його високоорганізованими молекулами при згорянні витрачає цю організацію, утворюється багато молекул газу двоокису вуглецю, які хаотично розсіюються в атмосфері. Тобто при згорянні вугілля утворюється безладдя. Спрощено дезорганізацію, випадковість можна назвати ентропією. У Космосі ентропія переважає. Випадковість збільшується з плином часу, але всередині хаосу існують острівці порядку. Одним з найважливіших є життя. Живі системи з безладдя утворюють порядок. Наприклад, рослини, поглинаючи СОг в атмо¬сфері, об'єднують його під час фотосинтезу в складні, організовані органічні з'єднання (форми) молекул. Сонячна енергія, яку використовують рослини, щоб утворити порядок на Землі, продукується завдяки поступовій деградації, розкладу Сонця. Сонце поступово розсіюється, продукуючи енергію. Але порядку, створеному на Землі живими системами, наба¬гато менше, ніж безладдя, створеного при розсіюванні Сонця. У балансі переважає безладдя. Таким чином, за другим законом термодинаміки енергія розсіюється при переході з однієї форми в іншу. Ентропія екологічна. Це необоротне розсіювання енергії екосистемами. Воно відбувається двома шляхами: звичайної втрати тепла через різницю температур між біотою, грунтом і навколишнім середовищем, або втрати тепла організмами і їх біоценозами в процесі дихання й бродіння у зв'язку з вивільненням енергії при екзотермічних реакціях. Неврівноважені процеси в ізольованих системах супроводжуються зростанням температури, наближаючи їх (системи) до стану рівноваги, за якої екологічна ентропія є найвищою. Термодинамічні закони регулюють життя — від найменшої бактерії до велетенського кита. Так, біомаса першого трофічного рівня майже всіх екосистем являє собою величезну масу потенційної (хімічної) енергії й ресурсний матеріал для будівництва другого трофічного рівня. Але порівняння біомас першого й другого рівнів в екосистемах показує, що вони не збігаються. Те ж саме відбувається з кількістю організмів і кількістю енергії, які завжди значно зменшуються від нижчих рівнів до вищих, від продуцентів до консументів. Велика кількість біомаси, енергії при переході з одного тр¬фічного рівня на інший розсіюється, витрачається на підтримку температури тіл організмів, на перетворення в ССЬ; не вся біомаса нижчого рівня йде на їжу організмам вищого рівня, і не вся засвоюється організмами. Тобто згідно з другим законом термодинаміки, енергія перетворюється в тепло, яке розсіюється в довкіллі і втрачається в просторі. Як вказувалося вище, за підрахунками екологів тільки 10 % біомаси одного трофічного рівня перетворюється на біомасу іншого (правило 10 %). У попередньому розділі згадувалося про піраміди біомаси, кількості організмів і енергії. Саме ці піраміди наочно демонструють нам дію термодинамічних законів екосистеми. І найголовнішим висновком із цього є такий: втрати біомаси від одного трофічного рівня екологічної піраміди до наступного встановлюють межі довжин ланцюгів живлення. Ланцюги живлення мають, як правило, не більше чотирьох трофічних рівнів, тому що обсяг біомас на вершині трофічної структури недостатній для підтримання існування ще вищого рівня. Найголовнішою формою функціонування екосистеми є кругообіг речовини, енергії та інформації — процес багаторазової участі речовин (біогенних і абіогенних) в явищах циклічного характеру, що відбуваються в атмосфері, гідросфері й літосфері. Речовини, що залучаються до кругообігу, не тільки переносяться, а й трансформуються. При цьому дуже активну роль відіграють організми. До процесів кругообігів геологічного характеру відносять випаровування, переміщення й опади, звітрювання гірських порід, обмін між глибинними й поверхневими шарами Землі, розчинення у воді різних речовин земної кори й перенесення їх в океан, відкладання та утворення осадових порід на дні. Процеси кругообігу постійно підтримуються енергією Сонця. Кругообіг речовин між Світовим океаном і сушею називають геологічним, великим. Малим кругообігом називають біогеоцентричний кругообіг — багаторазове циклічне, нерівномірне в часі й незамкнене обернення частини речовин, енергії і інформації в межах елементарних екосистем. Вирізняють ще біосферний кругообіг речовин — безперервний планетарний закономірний, циклічний процес нерівномірного в просторі й часі перерозподілу речовини, енергії та інформації, які входять до складу екосистем. Завдяки цьому кругообігу в природі забезпечується стабільність життя й успадкованість поколінь усіх живих істот. Найголовнішими кругообігами речовин є кругообіги води, кисню, вуглецю, натрію, фосфору.Основними типами наземних екосистем є біоми, які відрізняються один від одного характером рослинності. Виділяють такі основні типи біомів: Пустелі. Мають два підтипи — пустелі тропіків і пустелі по¬мірного клімату. Луки, підтипами яких є: тропічна савана; луки помірного поясу (прерія, степ); високотравні; низькотравні; полярні (арктична й альпійська тундра). Ліси. Включають підтипи: тропічні вологі; тропічні сухі; листяні помірного поясу й бореальний ліс або тайга. Водні екосистеми. Прісноводні екосистеми, серед яких розрізняють сильно зволожені землі; озера; ріки; штучні водосховища. Солоні, або морські екосистеми, серед яких виділяють естуарії, прибережні зволожені зони, коралові рифи, океанічну мілину (шельф), континентальний схил; океанічні глибини й бентосні екосистеми, екосистеми підводних гідротерм рифтових долин. Для кожного біома характерні певні види хребетних і безхребетних тварин, редуцентів і фотосинтезуючих видів рослин (продуцентів), які поряд із кліматичними, фізичними й хімічними факторами місцевості формують екосистему. У кожній екосистемі мешкають місцеві види, види-мігранти, принесені види, види-індикатори, ключові види. Кожен вид має свою нішу — мікросередовище, яке його оточує й до якого він найкраще пристосувався з точки зору фізичних, хімічних і енергетичних потреб. Факторами, які впливають на життя екосистем, можуть бути: 1. Фізичні: діапазон температур, характер геофізичного поля, дощі, висота над поверхнею Землі, вітер, тип грунту, кількість світла, кількість завислого матеріалу в водних середовищах, вогонь. 2. Хімічні: солоність води, концентрація живильних речовин, розчинених у поверхневих водах та опадах, природні й штучні токсини, розчинені у воді, ступінь насиченості води киснем. 3. Природні катастрофічні: пожежі, повені, засухи, епідемії, землетруси. 4. Природні поступові: еміграція й іміграція видів, кліматичні зміни, пристосування й еволюція видів, евтрофікація водойм, сукцесія. 5. Антропогенні, сільськогосподарські та промислові: винищення лісів, зарегулювання річкового стоку, меліоративні роботи, виснаження й ерозія грунтів, перехімізація грунтів, знищення хижаків, забруднення всіх типів вод, забруднення повітря. 6. Антропогенні соціально-економічні: значний вилов риби, браконьєрство, надінтенсивний туризм, розведення екзотичних, чужих місцевості видів, несумісна рекреаційна діяльність, пожежі, інфекції від домашніх тварин і рослин. Дослідженнями українських вчених М. Голубця і Й. Царика (1991) встановлені такі важливі особливості екосистем: кожна жива система є саморегульованою, має свою програму розвитку й здатна фіксувати в пам'яті всі позитивні й негативні зовнішні впливи на стан її функціонування та розвитку. Система може вибирати таку форму реакції на зовнішні впливи («збурення»), яка забезпечує їй найефективніший варіант захисту від «збурювальної» дії екологічного фактора. Саморегуляція екосистем відбувається завдяки стабільності й стійкості. Стабільність екосистеми — це закладена в її генетичній програмі здатність протягом усього періоду існування реалізувати в мінливих умовах зовнішнього середовища свою життєву програму розвитку. Стабільність — це сума різноманітних стійкостей у часі. Стійкість живої системи — це її здатність завдяки внутрішнім механізмам захисту протистояти зовнішнім негативним впливам і адаптуватися до них без істотних змін. Стабільність і стійкість — два різні, але тісно пов'язані між собою поняття: це узагальнена властивість живої системи, що нормально функціонує у конкретних умовах, і окрема властивість живої системи, яка характеризує її здатність протистояти дії негативних екологічних факторів. Слід відрізняти стабільність від біотичної інтеграції. Остання відрізняється тим, що система в такому стані не може довго існувати.
