Принципы функционирования экосистем:
получение ресурсов (вещества и энергии) и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов;
экосистема существует за счет практически вечной, не загрязняющей среду солнечной энергии, количество которой постоянно и избыточно;
Чем больше биомасса популяции, тем ниже должен быть занимаемый ею трофический уровень. На концах пищевых цепей не может быть большой биомассы организмов;
Чем разнообразнее экосистема и чем равномернее изменяются условия среды, тем дольше она остается неизменной, тем стабильнее и устойчивее взаимосвязь ее подсистем
Принцип саморегуляции – экосистема обладает свойством автоматически устанавливать и поддерживать на относительно постоянном уровне показатели численности, рождаемости, смертности образующих ее популяций (при условии невмешательства в природные процессы хозяйственной деятельности человека).
Существование любого организма в экосистеме зависит от совокупности определенных условий. В совокупности этих условий существования всегда можно выделить фактор, который сильнее других влияет на состояние организма. Избыток или недостаток какого-нибудь одного важного ресурса ограничивает жизнедеятельность даже тогда, когда все остальные условия оптимальны. Такие факторы называют ограничивающими или лимитирующими факторами, а их действие обозначают как закон лимитирующих факторов
Закон лимитирующих факторов:
Факторы среды, имеющие в конкретных условиях наихудшие значения, ограничивают возможность существования живых организмов в данных условиях вопреки и несмотря на оптимальное сочетание других факторов
Это правило называют еще законом толерантности В.Шелфорда (1913 г.)
Лимитирующими могут быть физические условия существования. Наиболее важные из них на суше – свет, температура, осадки, состав атмосферного воздуха, а в водных экосистемах – свет, температура, соленость воды. Немаловажным фактором является наличие пищи. Хотя на уровне экосистем число экологических факторов и их действующих сочетаний потенциально не ограничено, все же удается выделить конечное число факторов, от которых зависит преобладающее состояние экосистем.
Если говорить о биомах, то здесь лимитирующим фактором для определения типов растительности является сочетание двух факторов, температуры и годовой суммы осадков. Эти два фактора определяют размещение в биосфере основных природных зон. Т.е., лимитирующие факторы являются причиной различия экосистем.
Важным лимитирующим фактором в современных условиях является загрязнение природной среды. Оно происходит в результате внесения в среду веществ, которых в ней либо не было (металлы, продукты химического синтеза, искусственные радиоактивные вещества) и которые не разлагаются вовсе (ксенобиотики), либо которые существуют в биосфере (например, СО2), но вносятся человеком в чрезмерно больших количествах, не дающих возможности переработать их естественным образом. Цена этих загрязнений – ограничение жизнедеятельности живых организмов.
Главный лимитирующий фактор (по Одуму Ю. Основы экологии) – размеры и качество нашей планеты. Чтобы сохранить основы жизнедеятельности большинства организмов, следует стремиться к тому, чтобы сохранить более 1/3 всей суши в качестве охраняемого открытого пространства в виде парков, заповедников и т.д. Территория, необходимая 1 человеку, по разным оценкам колеблется от 1 до 5 га. Сейчас плотность населения приближается к 1 человеку на 2 га суши, а пригодны для сельского хозяйства только 24% суши. Отсюда появилась концепция «золотого миллиарда», в соответствии с которой оптимальным количеством населения является 1млрд человек, и стало быть более 5 млрд уже «лишние люди». Здесь мы сталкиваемся уже с предельными, а не локальными ограничениями.
Экологические ограничения никогда не бывают абсолютными. Существует закон совокупного действия факторов: взаимосвязь экологических факторов и их взаимное усиление или ослабление определяют их воздействие на организм и успешность его жизни
Именно за счет взаимодействия факторов пределы жизни могут быть несколько «отодвинуты». Например, снижение температуры повышает выносливость рыб по отношению к недостатку пищи и кислорода; или недостаточная освещенность растений может быть частично компенсирована повышенной концентрацией углекислого газа. Эта зависимость определяется законом компенсации (взаимозаменяемости) факторов: отсутствие или недостаток какого либо фактора могут быть компенсированы другим близким фактором.
Существует частный закон действия лимитирующих факторов (закон минимума Ю.Либиха): выносливость организма определяется слабым звеном в цепи его экологических потребностей – жизненные возможности лимитируются факторами, количество и качество которых близко к необходимому организму минимуму.
Например, для растения в окружающей среде в изобилии присутствуют СО2 и Н2О, а вот цинка в почве мало. Цинк и будет элементом, ограничивающим рост растения.
Одним из главных достижений экологии стало открытие, что развиваются не только организмы и виды, но и экосистемы. В природе существуют как устойчивые экосистемы, когда сформировано уравновешенное сообщество, способное поддержать баланс веществ в этой экосистеме (степь, хвойный лес..), так и неустойчивые экосистемы, в которых биоценоз постепенно изменяется (мелкие водоемы, сырые луга и т.д.).
Происходит саморазвитие таких экосистем от неустойчивого состояния к устойчивому, когда нестабильные сообщества переходят в устойчивое состояние. Например, как изменяется экосистема мелкого озера? - Сначала оно зарастает, мелеет, превращается в болото, затем становится мокрым лугом, обрастает кустарником и затем лесом. Состояние относительного равновесия наступает через десятки и даже сотни лет. При приближении к устойчивому состоянию скорость саморазвития биоценозов как правило замедляется. В данном случае мелкое озеро зарастает быстрее, чем впоследствии березовый лес сменяется хвойным.
Последовательная смена одних сообществ (биоценозов) экосистемы другими называется СУКЦЕССИЕЙ. Различают первичную сукцессию (естественную смену биоценозов) и вторичную. Вторичная сукцессия развивается в случаях каких-либо нарушений в уже сформировавшейся экосистеме: на месте вырубки леса, пожара, распашки и т.д. Например, как происходит появление елового леса в наших северных зонах на брошенных землях? Ель не возобновляется сразу, т.к. не выдерживает конкуренции светолюбивых и быстрорастущих трав. Раньше елового леса возникает березовый, потому что береза образует много семян и быстро растет
Если к 6-10 годам ель имеет всего 50-60 см роста, то однолетка береза – 8 – 10 м. Береза быстро смыкает кроны, что создает условия для затенения, изменения температуры и влажности. Эти условия оказываются благоприятными для злаков лугового типа, земляники, василька и т.д. Далее начинается выпадение из сообщества светолюбивых видов, а затенение создает условия для проростков ели. К 40-50 годам ель догоняет березу в росте и включается в первый ярус леса. Так на месте березового леса возникает сначала смешанный лес, который тоже существует недолго. Береза не выносит затенения и ель начинает занимать главенствующее место. Из растительности в темнохвойном еловом лесу поселяется кислица, черника, брусника. Из животных исчезают ежи и полевки, а поселяются белки и куницы. Такая смена сообществ происходит в течение 60-80 лет.