Остановимся вначале на понятии системы.
Система - совокупность взаимодействующих элементов, составляющих более или менее ограниченное целостное единство. Связи взаимодействия между элементами внутри системы сильнее, чем с внешними, что определяет границы системы (морфологические, или функциональные).
Биосистема имеет несколько уровней организации: первый - гены и определяемые ими генетические системы; затем - клетки и составляемые ими клеточные системы; следующий уровень - органы и системы органов; затем - организмы и системы организмов, популяции и популяционные системы, сообщества и экосистемы.
Сообществу и экосистеме по смысловому значению близко понятие "биоценоз". Уточним эти понятия.
Биоценоз - взаимосвязанная совокупность организмов - продуцентов, консументов и редуцентов (см. ниже), населяющая более или менее однородный участок суши или водной среды.
Сообщество - совокупность взаимосвязанных особей, взаимосвязанных видов в пределах какого-то пространства.
39
Сообщества организмов связаны с неорганической средой теснейшими материально-энергетическими связями. Растения могут существовать только за счет постоянного поступления в них углекислого газа, воды, кислорода, минеральных солей. Гетеротрофы живут за счет автотрофов, но нуждаются в поступлении таких неорганических соединений, как кислород и вода. В любом конкретном местообитании запасов неорганических соединений, необходимых для поддержания жизнедеятельности населяющих его организмов, хватило бы ненадолго, если бы эти запасы не возобновлялись. Возврат биогенных элементов в среду происходит как в течение жизни организмов (в результате дыхания, экскреции, дефекации), так и после их смерти в результате разложения трупов и растительных остатков. Таким образом, сообщество образует с неорганической средой определенную систему, в которой поток атомов, вызываемый жизнедеятельностью организмов, имеет тенденцию замыкаться в круговорот.
Любую совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ, называют экосистемой. Термин был предложен в 1935 г. английским экологом А.Тенсли, который подчеркивал, что при таком подходе неорганические и органические факторы выступают как равноправные компоненты, и мы не можем отделить организмы от окружающей их конкретной среды. А.Тенсли рассматривал экосистемы как основные единицы природы на поверхности Земли, хотя они и не имеют определенного объема и могут охватывать пространство любой протяженности.
Основные свойства экосистем - ее способности:
- 1) осуществлять круговорот веществ в среде обитания;
- 2) противостоять внешним воздействиям;
- 3) производить биологическую продукцию.
Под средой обитания обычно понимают природные тела и явления передачи материи, энергии, информации, с которыми организмы находятся в прямых или косвенных взаимоотношениях.
Различают понятия "окружающая среда" и "природная среда". Окружающая среда - среда, существенно измененная человеком. Природная среда - среда, малоизмененная человеком.
Можно выделить следующие основные составляющие окружающей среды, среды обитания и производственной деятельности человека: воздушная среда, водная среда (гидросфера), животный мир, растительный мир, почва (природное образование, характеризующееся плодородием), недра (верхняя часть земной коры, в пределах которой возможна добыча полезных ископаемых), климатическая, электромагнитная и акустическая среды. Наиболее уязвимыми составляющими, без которых невозможно существование человека и которым наносится наибольший ущерб человеческой деятельностью, связанной с развитием промышленности и урбанизацией,
40
являются воздушная среда и гидросфера. Их загрязнение наносит также серьезный вред природе (совокупности естественных условий существования человеческого общества).
Для поддержания круговорота веществ в системе необходимо наличие:
- 1) запаса неорганических молекул в усвояемой форме;
- 2) трех функционально различных экологических групп организмов - продуцентов, консументов и редуцентов.
Продуценты - автотрофные организмы, способные строить свои тела за счет неорганических соединений. Консументы - это гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество продуцентов или других консументов и трансформирующие его в новые формы. Редуценты живут за счет мертвого органического вещества, переводя его вновь в неорганические соединения. Классификация эта относительна, так как и консументы, и продуценты выступают частично в роли редуцентов, в течение жизни выделяя в окружающую среду минеральные продукты обмена веществ.
В принципе круговорот атомов может поддерживаться в системе и без промежуточного звена - консументов за счет деятельности двух других групп. Однако такие экосистемы встречаются скорее как исключения, например, на тех участках, где функционируют сообщества, сформированные только из микроорганизмов. Роль консументов выполняют в природе в основном животные, их деятельность по поддержанию и ускорению циклической миграции атомов в экосистемах сложна и многообразна.
Существуют экосистемы разных рангов:
- микроэкосистемы (например, небольшой водоем);
- мезоэкосистемы (лес, река, пруд...);
- макроэкосистемы (океан, континент);
- глобальная экосистема (биосфера).
Таким образом, наиболее крупные экосистемы включают в себя экосистемы меньшего ранга.
Масштабы экосистемы в природе чрезвычайно различны. Неодинакова также степень замкнутости поддерживаемых в них круговоротов вещества, т. е. многократность вовлечения одних и тех же атомов в циклы. В качестве отдельных экосистем можно рассматривать, например, и подушку лишайников на стволе дерева, и разрушающийся пень с его населением, и небольшой временный водоем, луг, лес, степь, пустыню, весь океан и, наконец, всю поверхность Земли, занятую жизнью.
Однако ни одна даже самая крупная экосистема - экосистема Земли - не имеет полностью замкнутого круговорота. Материки интенсивно обмениваются веществом с океанами, причем большую роль в этих процессах играет атмосфера, и вся наша планета часть материи получает из космического пространства, а часть отдает в космос.
41
В соответствии с иерархией сообществ жизнь на Земле проявляется и в иерархичности соответствующих экосистем. Экосистем-ная организация жизни является одним из необходимых условий ее существования. Запасы биогенных элементов, из которых строят тела живые организмы, на Земле в целом и на каждом конкретном участке ее поверхности небезграничны. Лишь система круговоротов могла придать этим запасам свойство бесконечности, необходимое для продолжения жизни. Поддерживать и осуществлять круговорот могут только функционально различные группы организмов. Таким образом, функционально-экологическое разнообразие живых существ и организация потока извлекаемых из окружающей среды веществ в циклы - древнейшее свойство жизни.
Закономерный направленный процесс изменения сообществ в результате взаимодействия живых организмов между собой и окружающей их абиотической средой называют сукцессией.
Причины возникновения сукцессии. Сукцессия (от лат. сукцессио - преемственность, наследование) - это процесс саморазвития сообществ. В основе сукцессии лежит неполнота биологического круговорота в данном биоценозе. Каждый живой организм в результате жизнедеятельности меняет вокруг себя среду, изымая из нее часть веществ и насыщая ее продуктами метаболизма (обмена веществ). При более или менее длительном существовании популяций они меняют свое окружение в неблагоприятную сторону и в результате оказываются вытесненными популяциями других видов, для которых вызванные преобразования среды оказываются экологически выгодными. Таким образом, в сообществе происходит смена господствующих видов. Длительное существование биоценоза возможно лишь в том случае, если изменения среды, вызванные деятельностью одних организмов, точно компенсируются деятельностью других с противоположными экологическими требованиями.
В ходе сукцессии на основе конкурентных взаимодействий видов происходит постепенное формирование более устойчивых комбинаций, соответствующих конкретным абиотическим условиям среды.
Положение вида, которое он занимает в общей системе биоценоза, комплекс его биоценотических связей и требований к абиотическим факторам среды называют экологической нишей. Это совокупность всех факторов среды (абиотических и биотических), в пределах которых возможны существование вида и его преобразующая деятельность.
Характер занимаемой экологической ниши определяется генетическими возможностями вида и тем, насколько они могут быть реализованы в конкретных биоценозах. Экологическая ниша пустовать не может.
Выполняется правило обязательности заполнения экологических ниш: экологическая ниша, т.е. место вида в природе, обязательно заполняется.
42
Некоторыми учеными высказывается предположение, что примером правила обязательности заполнения экологических ниш служит возникновение новых заболевании. Так, СПИД был предсказан за 10 лет до его появления как гриппоподобный вирус с высоким процентом летального исхода. Основанием для предсказания послужило то, что победа медицины над многими инфекционными болезнями высвободила пустующие экологические ниши, которые неминуемо должны быть заполнены.
Существование экосистем основано на общих термодинамических принципах и законе сохранения энергии и материи. Поток энергии, материи и информации должен быть свободным, охватывающим всю систему, иначе она не будет иметь свойства единства. Длительность прохождения потока энергии, вещества и информации специфична: водообмен в биологической особи занимает часы; обмен влаги в атмосфере - 8 дней; обмен свободных континентальных поверхностных вод - 16 дней в реках и до 17 лет в озерах; обмен подземных вод требует около 1400 лет, а обмен вод океана - 2500 лет. По словам Н. Ф. Реймерса (1993), жизнь может существовать только в процессе движения через живое тело потока веществ, энергии и информации.
В.И. Вернадский сформулировал закон единства организма и среды: жизнь развивается в результате постоянного обмена веществом и информацией на базе потока энергии в совокупном единстве среды и населяющих ее организмов. Форма существования организма всегда соответствует условиям его жизни.
Существует закон внутреннего динамического равновесия экосистемы: если меняется водность или химизм среды, то обязательно изменяются все остальные экологические компоненты системы, ее динамические качества либо в этой экосистеме, либо в их сопряженной цепи.
Следует отметить, что природа сопротивляется антропогенным изменениям среды. С увеличением ее экономически ценных свойств снижается надежность экосистем, при этом следует вспомнить общесистемный закон - правило трех нижних уровней иерархии: разрушение трех и более нижних уровней иерархии систем ведет целое (систему) к гибели. Например: повреждение генетической структуры клетки → превращение нормальной клетки в опухолевую → раковый процесс в органе → гибель организма.
Человечество не учитывало этого закона, безоглядно преобразовывало природу и вплотную подошло к разрушению трех нижних уровней биосферы, точнее, трех нижних уровней иерархии экосистем биосферы, что создает предпосылки для собственного исчезновения.
43
Следует помнить, что уничтожение даже одного из видов живых существ, входящих в экосистему, может привести к ее полному уничтожению и тяжелым экологическим последствиям для человека.
Приведем два примера. В 50-е годы XX столетия в Китае была объявлена война воробьям, поедавшим зерно на полях. Воробьи были уничтожены, но так размножились насекомые (вредители сельского хозяйства), что для их уничтожения пришлось закупать воробьев в других странах.
В 70-е годы XX в. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) пыталась бороться с малярией на острове Калимантан в Индонезии, опрыскивая местности пестицидом ДДТ. Кроме комаров - переносчиков малярии, ДДТ съели также и тараканы. Они крупнее и поэтому более устойчивы к ДДТ. Тараканы не погибли, но стали более медлительными, и ящерицы поедали их в значительных количествах. Концентрируясь в организмах ящериц, ДДТ вызвал нервные расстройства и ослабление их рефлексов, поэтому они чаще стали оказываться жертвами кошек. Массовое истребление ящериц позволило размножиться гусеницам, которые поедали тростниковые крыши хижин местных жителей, крыши стали проваливаться. Кроме того, началась массовая гибель кошек, отравившихся ДДТ. Тогда поселки наводнили крысы и, что еще хуже, принесли с собой блох, зараженных чумной палочкой. Люди получили вместо малярии гораздо более страшную болезнь - чуму. Поэтому ВОЗ прекратила опрыскивание ДДТ и сбросила большую партию кошек на парашютах.
Вид организмов может существовать до тех пор, пока окружающая среда соответствует генетическим возможностям его приспособления к колебаниям и изменениям окружающей среды. Любая биологическая система, находясь в подвижном (динамическом) равновесии с окружающей средой и развиваясь эволю-ционно, увеличивает свое воздействие на среду. Давление растет до тех пор, пока оно не будет ограничено внешними факторами (надсистемами или другими конкурентными системами того же уровня иерархии) или какой-либо эволюционно-экологической катастрофой. Окружающая среда способна изменяться значительно быстрее, чем находящийся в ней вид, который подчиняется генетическому консерватизму. Это относится и к человеку. Среда обитания быстро и резко изменяется, а человек как биологическое существо не может к ним приспосабливаться в том же темпе, именно поэтому создается возможность разрушения биоценоза.
44
