6.5. Экологиялық сукцессиялар. Экожүйенің өзіндік дамуы және оның тұрақтылығы
36-сурет. Экологиялық сукцессия мысалы
Өлген, ыдыраған организмдердің біртіндеп жинақталуы және тау жыныстарының эрозиясы желдену нәтижесінде папоротниктер мен мүктер сияқты ірі өсімдіктер өсе алатын қажетті мөлшердегі топырақ қабатын қалыптастыруға әкеледі. Бұл өсімдіктерден кейін ірі және қоректік заттарды көп талап ететін шөптесін бұталар мен ағаштары болатын тұқымды өсімдіктер өсе бастайды. Мұндай уақыт кезеңдерінде жер бетінің белгілі бір участогінде бір биоценоздың басқалармен аусуын- сукцессия деп атайды (succesio- ауысу, бірізді). Сукцессия терминін 1898 жылы Г.Каулсон ұсынды.
Топырақтары жоқ, жалаң тау жыныстарынан немесе тіршілігі жоқ жерлерден (мысалы, топырақтың шағыл немесе бұрынғы мұздық болған жер) басталатын сукцессияның типін- алғашқы сукцессия деп атайды.
Бастапқы немесе алғашқы сукцессияның мысалы ретінде Мичиган көлінің төңірегіндегі дюналарды (құм шағылдарды) шөп басуын алуға болады. Дюналардың алғашқы қоныстанушылар қауымдастығы астық тұқымдастардан, талдардан, шиеден, мақта ағашынан және жүйрік қоңыздар, ін қазғыш өрмекшілер мен секіртпелер тәрізді жануарлардан тұрады.
Алғашқы қоныстанушылар қауымдастығының соңынан орман қауымдастығы келеді, бұлардың әрқайсысының өзіне тән жануарлар әлемі бар. Дамудың құрғақ, құнарсыз жерде басталғанына қарамастан, ақыр соңында бұл жерде жалаңаш құм шағылдарға қарағанда ылғалды және салқын букты-шағанды орман өсіп шықты. Орманның қалың, гумусқа бай, жауын құрттары мен моллюскалары бар топырақтағы өзі дамыған құрғақ құмға мүлде ұқсамайды.
Ал екінші немесе қайталанған сукцессия- бұрын тірі организмдердің әсеріңде болған және органикалық заттары бар толығынан немесе белгілі бір дәрежеде өсімдіктерден айрылған беткейден басталады. Мысалы, өртенген жерлер немесе кесілген ормандар. Топырақта бұл жерлерде сукцессияға әсер ететін түқымдар, споралар және вегатативті көбеюдің мүшелері сақталуы мүмкін.
Қайталанған сукцессияның мысалы ретінде шыршалы орманның қайта қалпына келуін алайық. Ағаш дайындаудан соң немесе өртенгеннен кейін шыршалы орман өскен жердегі жағдайлардың өзгеретіндігі соншалық, босаған алаңға шырша қайта қоныстана алмайды. Өніп шыққан жас шырша өскіндері ашық жерлерде көктемгі үсіктерден зақымдалып, жазғы ыстықтардан зардап шегеді, сөйтіп жарық сүйгіш өсімдіктермен бәсекелесе алмайды. Алғашқы екі жыл бойы ағашы шабылған жерлер мен өртеңдерде шөптеген өсімдіктер-айрауық, күреңот және т.б. қаулап өседі. Көп кешікпей тұқымдары желмен таралатын қайыңның, көк теректің, кейде қарағайдың толып жатқан жас өскіндері пайда болады. Ағаштар шөптесін өсімдіктерді ығыстырып, бірте - бірте ұсақ жапырақты немесе қарағайлы орман түзеді. Сонда ғана шыршаның қайта өсе бастауы үшін қолайлы жағдайлар туады. Көлеңкелеуге төзімді шырша өскіндері жарық сүйгіш жапырақты ағаш түрлерінің жас шыбықтарымен тайталаса өседі. Шыршаның бойы жоғарғы қабатқа жеткенде, ол жапырақты ағаштарды толық ығыстырып шығарады. Негізінде май қарағайлы, самырсынды, Солтүстік қылқанды орманның сукцессиясы да осылайша жүреді.
Алғашқы сукцессия, сол сияқты қайталанған сукцессияда да қоршаған ортаның флорасы мен фаунасы- кездейсоқ таралу және миграция нәтижесінде сукцессияға енетін өсімдіктер мен жануарлардың типін анықтайтын негізгі фактор болып саналады.
Қоршаған ортамен тепе-теңдікте болатын, өздігінен қалпына келетін тұрақты, шегіне жеткен бірлестік-климаксты деп аталады. Климакс (грекше - саты) – осы орта жағдайларында экожүйе дамуының соңғы тұрақты жағдайы. «Климакс» терминін ғылымға 1916 жылы Ф.Клементс енгізген.
Тіршілік орнында түрлердің әртүрлі популяцияларының пайда болуы мен жойылуының белгілі бір реттілікпен жүретін маусымдық емес және заңды процесі- экологиялық сукцессия деп аталады.
Сукцессиялық өзгерістер
Сукцессия барысында бірлестіктің пішіні үнемі ауысып отырады. Сонымен қатар экожүйенің қызметі де өзгеріп отырады. Сукцессия өзгерісінің негізгі төрт түрі болады:
1. Сукцессия барысында өсімдіктер мен жануарлар түрлері үздіксіз ауысады. Мұндай мысалдар автотрофтыларда, гетеротрофты организмдерде, құстар мен шөп қоректі аңдарда кездеседі.
2. Түрлік құрамының өзгеруі- көбіне бәсекелестікпен анықталады. Сукцессия барысында экожүйеде өтетін өзгерістер жаңа түрлерінің бірлестікте орнықталуына қолайлы жағдай жасайды. Осы себепте сукцессиялық өзгерістер әрдайым организмдердің түрлік алуан түрлілігінің жоғарылауына әкеледі.
3. Су және жер үсті тіршілік ортасында органикалық заттар биомассасының ұлғаюы. Детрит және микроорганизмдер қалдықтарынан тұратын ыдырайтын гумус немесе органикалық заттар сукцессия барысында жинақталады.
4. Өзгеріс бірлестіктің таза өнімділігінің төмендеуінен және жалпы тыныс алудың жоғарылауынан болады. Экологияда энергия шығынының жиынтығы –«жалпы тыныс алу» деп аталады. Бұл сукцессияның маңызды құбылысы. Бастапқы сукцессияның ерте кезеңдерінде жалпы бастапқы өнімі жоғары, бірақ келесі кезеңдерде автотрофтылардың өлімі төмен болады.
Сукцессияның ұзақтығы- көбіне бірлестік құрылымымен анықталады. Құм шағылдағы бастапқы сукцессияны зерттеу осындай жағдайда төзімді бірлестіктің дамуы үшін көптеген жүздеген жылдар кететінін көрсетеді. Қайталанған сукцессиялар, мысалы, орман кесуде олар тез өтеді. Ылғалды климат жағдайларында орманды қайта қалпына келтіру үшін 200 жылдан аз емес уақыт керек. Егер климакс қатаң болса (мысалы, шөл, дала) сукцессия ұзақтығы қысқа болады, өйткені бірлестік қоршаған ортаның қолайсыз жағдайларын айтарлықтай өзгерте алмайды. Мысалы, далада алғашқы сукцессия 50 жылға созылады.
кезең- шөптесін өсімдіктер кезеңі (10 жылға созылады)
кезең бұталар кезеңі (10-25 жыл)
кезең- жапырақты ағаштар кезеңі (25-100 жыл)
кезең- қылқан жапырақты ағаштар кезеңі (100 жыл)
Сукцессияның кеш кезеңі ерте кезеңімен салыстырғаңда, неғұрлым төзімдірек. Сукцессияның ерте кезеңіне қуаңшылық өте күшті әсер етуі мүмкін. Егер бидай мен қара бидай егістігіне қуаңшылық жыл сайын қайталанбаса, дамудың жоғары кезеңдеріңдегі жағдайдағы орманға қуаңшылықтың әсері айтарлықтай болмайды.
Бірлестіктің тепе-теңдік жағдайдағы төзімділігі абсолютті емес. Организмдердегі сияқты бірлестіктің дамуының бұл кезеңін «қартаюдың басы» деп атауға болады. Аурулар мен апаттар жас немесе тіпті басқа бірлестіктің ауысуына соқтыратын бірлестіктің қартаюын тездетуі мүмкін.
Сукцессияның қарапайым моделі
38-суретте лабораторияда көрсетуге болатын қарапайым экологиялық сукцессияны зерттейтін тәжірибе көрсетілген. Мұнда жүретін өзгерістер жалпы алғанда, табиғи сукцессияда кездесетін өзгерістермен сәйкес келеді.
Тәжірибеде әртүрлі жүзетін балдырлар және олардың тұтынушылары талшықтылар, құрттардан тұратын планктонды бірлестігі болатын дақылдары бар төрт банка пайдаланылады. 1-ші банкада (сол жақта) кәрі және тұрақты бірлестік орналастырылады. Бұл банкадағы бірлестіктің жағдайы тепе-теңдік жағдайға сәйкес келеді. Басқаша айтқанда, бірлестікке келетін энергияның үлкен бөлігі жаңа биомассаның өсуіне емес, организмдердің тыныс алуына жұмсалады. Егер кәрі дақылға жас дақылдық ортаны қоссақ, экологиялық жүйе қозғалысқа келеді.
2-ші банкада сукцессияның басталған кезеңі көрсетілген. Мұнда түрдің алуан түрлілігі төмендей бастайды. Ортаның қорегін жоғарылатқанда балдырлардың бір немесе екі түрі үстемдік орнатады. Бәсекелестіктің жоғары қабілеттілігіне байланысты популяцияның өсуі және басқаларын ығыстыруы байқалады. Осындай жағдай табиғи суларда байқалады, өйткені балдырлар өз денесінде органикалық заттарды көп мөлшерде синтездеп, бірлестіктің жалпы бастапқы өнімділігін күрт өсіреді және осы өнімділік жалпы тыныс алудан артық болады. Басқаша айтқанда, сукцессияның бастапқы кезеңінде гетеротрофтылықтан автотрофтылық жоғары болады.
Ал соңғы екі банка (оң жақта) бірлестік жағдайының төзімділігінің тепе –теңдікке біртіндеп қайта келуін көрсетеді. Түзілген бастапқы өнімділікті қарқынды пайдалануға ұмтылатын гетеротрофты организмдердің дамуы кәрі дақылдардың қартаюының көрсеткіші болып табылады.
Экологиялық сукцессияның маңызы
Көптеген алуан түрлі организмдердің молдылығымен, қоректік құрылымы жақсы дамыған және энергия ағыны тепе -теңдігіндегі ескі бірлестік физикалық факторлардың (температура, ылғалдылық) және химиялық ластанудың кейбір түрлерінің өзгерісіне жас бірлестікке қарағанда күштірек қарсы тұра алады.
Осындай жағдайларда, адамдар жас бірлестікті жасанды түрде қолдап, таза өнім жинауы мүмкін. Тұрақтылық пен төзімділік кезеңіндегі жетілген бірлестікте таза жылдық өнімділігі негізінен өсімдіктер мен жануарлардағы «жалпы тыныс алуға» жұмсалады.
Басқа жағдайларда жетілген бірлестіктің төзімділігі, физикалық факторларға қарсы тұру әрекетінің қабілеттілігі өте маңызды және тиімді қасиеті болып табылады.
Жыртылған жерлер ерте сукцессиялық кезеңдер мысалы болып саналады. Өсімдік бірлестігінің жас жағдайы – оларды жер шаруашылық мамандарының үздіксіз еңбегі арқасында бұл жерлерді сақтап тұрады. Орман - кәрі, алуан түрлі және таза өнімділігінің мөлшері төмен, тұрақты бірлестік.
Экономикалық тиімділіктер үшін пайда болған экологиялық зардаптардың салдарын адамдар әлі түсінбеген. Бұл жетілген экологиялық жүйелердің әртүрлі бұзылуына әкеліп соқтыратын салдарды, тіпті эколог- мамандардың нақты болжай алмауы мүмкін. Адамдардың іс-әрекеті негізінде пайда болған шөлейт және цивилизация қалдықтары – адамдардың қоршаған табиғатпен өзінің тығыз байланысын ешқандай түсінбегенінің тамаша дәлелі. Біздің биосферамыздың кең көлемдегі жыртылған жерлердің кілеміне айналу қаупін түсінуге қазіргі кездегі экологияда жинақталған білімдердің өзі де жеткілікті.
Экожүйенің өзіндік дамуы. Оның тұрақтылық мәселелері.
Табиғатта тұрақты экожүйелермен қатар, жасанды экожүйелер де болады. Еменді орман, жусанды дала, шыршалы қоңыр қылқанды тайга-бұлардың барлығы тұрақты экожүйе мысалдары. Ал шөл, шалғын, ұсақ су қоймаларын өз-өзімен қалдырса, олар тез өзгереді.
Экожүйенің өзіндік дамуы дегеніміз - төзімсіз жағдайдан төзімді жағдайға өтуі. Экожүйенің өзіндік дамуы кез келген участокте құрғақшылықтан басталады. Оның дамуы заңды бірнеше кезеңдерден өтеді.
1 кезеңде участокте қоршаған тіршілік орнына кездейсоқ түскен организмдер: тұқымдар, споралар, ұшатын және жылжитын бунақденелілер, кеміргіштер, құстар және т.б. орналасады. Олардың барлығы бұл орыннан алыс тіршілік етуге қабілетсіз және көпшілігі өліп қалады немесе оны тастап кетеді.
2 кезеңде тіршілік етіп жүрген түрлер әлі бір-біріне кедергі келтірмей, тіршілік ортасын меңгереді және оны өзгерте бастайды.
3 кезеңде участок толығымен меңгерілген кезде, бәсекелестік шиеленіседі, өйткені түрлер өздеріне қолайсыз ортаны өзгертеді және олардың бір бөлігін ығыстырады; жаңа түрлер пайда болады.
Соңғы кезеңде, түрлер экологиялық қуыс бойынша таралып, бір- біріне кедергі болмай, қоректік қатынаспен және өзара тиімді қатынастармен байланысып, зат айналымды келісіп іске асырған кезде, бірлестіктің тұрақты құрамы қалыптасады.
Биоценоздың өзіндік дамуы әрқашан төмен төзімділік жағдайдан жоғары төзімділік жағдайда қарай жүреді. Бұл өзгерістің жылдамдығы біртіндеп баяулайды. Оның қарқынының баяулауы –экожүйенің өзіндік дамуының негізгі ерекшелігінің бірі.
Биоценоздың ауысуының төзімсіз кезеңі - жетілмеген бірлестік, ал төзімдісі - жетілген бірлестік деп аталады.
Кез келген табиғи экожүйенің маңызды ерекшелігі- оның өзін өзі реттеуге қабілеттілігі, яғни уақыт ішінде және кеңістікте белгілі деңгейде негізгі көрсеткіштерді ұстап тұруға қабілеттілігі. Экожүйенің салыстырмалы тұрақтылығы төзімді зат айналым мен энергия ағынын қамтамасыз етеді. Климакстық жағдайға жеткен биоценоз көбірек тұрақты. Осындай жағдайда экожүйенің тұрақтылығы оның күрделілігіне тікелей байланысты, яғни экожүйенің түрлік алуан түрлілігі неғұрлым жоғары болса, соғұрлым ол тұрақтырақ.
Күрделі экожүйеде күрделі қоректік қарым-қатынастар, күрделі тізбектер және қоректік торлар қалыптасады.
Табиғи жағдайда кез келген биологиялық жүйе арқылы, сонымен қатар, биоценозда үнемі энергия ағыны өтеді. Термодинамиканың екінші заңына сәйкес, энергияның таралуы - тұрақтылық принципімен байланысты. Сондықтан кез келген табиғи биоценоз тұрақты жағдай бағытында дамиды.
Ауыл шаруашылығында кездесетін барлық қолдан жасалған жасанды егістік, бақтар, жайылымдық шалғындар, бақшалар, және т.б, яғни агроценоздар сукцессияның алғашқы кезеңдерінде арнайы адамдардың көмегімен жүзеге асатын өсімдіктер бірлестігі болып табылады. Адамдар тарапынан үнемі іс-әрекеттер талап ететін агроценоздар төзімсіз.
Экожүйенің негізгі сипаттамасы - түрлік құрамының әртүрлілігі. Бұның бірнеше заңдылықтары бар.
1. экожүйелер шегіндегі биотоптың жағдайлары неғүрлым алуан түрлі болса, соғүрлым тиісті биоценоздың түрлері көп болады.
2. экожүйенің құрамында неғүрлым түрлер көп болса, соғүрлым тиісті түр попруляциялар особьтарының саны аз болады.
3. биоценоздың әртүрлілігі неғүрлым жоғары болса, экожүйенің экологиялық төзімділігі соғүрлым жоғары.
4. түрі өте аз (монодақылды агреценоз) адамдар пайдаланатын жүйелер табиғаты жағынан тұрақсыз және тепе-теңдікті сақтай алмайды.
5. экожүйенің ешқандай бөлігі басақаларынсыз іске аспайды.
Егер қандай да бір себептермен түр, организм топтары жойылып, экожүйе құрылымы бұзылса, онда тізбекті реакциялар заңы бойынша барлық бірлестік өте күшті өзгереді немесе тіпті бұзылады. Бірақ бір түрдің жойылуынан кейін бір уақыттан соң оның орнына осы экожүйеде ұқсас функция атқаратын басқа түр организмдері оның орнын басады. Әдетте бұндай рольді аз маманданған және экологиялық бейімделген организмдер атқарады. Мысалы, далада тұяқтыларды кемірушілер, таяз көлдер мен батпақтарда көкқұтан мен аққұтандарды үйректер ауыстырады.
Экожүйенің тұрақтылық мәселесін талдауды аяқтай келе, өте маңызды экологиялық « 1 % -тік ережені» құрастыруға болады.
Табиғи жүйеде энергияның шамамен 1% өзгеруі жүйені тепе-теңдік жағдайдан шығарады.
1%-тік экологиялық ережені көрсететін қарапайым мысал. Адам организмі - тірі жүйе. Мысалы, адамның қалыпты дене температурасы 36,6 С. Осы көрсеткіштің тіпті 1% ғана өзгеруі, яғни 0,4 С өзгеруі (37 С) ауру жағдайға әкеледі. Планетаның еркін атмосферасындағы оттегінің құрамының 1% оттегінің тыныс алуға негізделеген энергетикалық процестердің және организмдердің пайда болу мүмкіндігін тудырады.
Ғылымда жинақталған фактілер 1% және 10%-тің маңызды мәні бар екендігін көрсетеді.