Устойчивость и стабильность экосистем: 12.3. Стабильность и устойчивость экосистем

12.3. Стабильность и устойчивость экосистем

Важнейшими показателями динамики экосистем являются устойчивость и стабильность. Определение устойчивости экосистем уже давалось — это способность экосистемы возвращаться в исходное состояние после снятия внешнего воздействия, выведшего ее из равновесия. Под стабильностью экосистемы понимают ее способность сохранять свою структуру и функциональные свойства при воздействии на нее внешних факторов. Иногда понятия устойчивость и стабильность рассматриваются как синонимы, но тогда следует различать два вида устойчивости: резидентная устойчивость (стабильность) — способность оставаться в устойчивом (равновесном) состоянии под нагрузкой, и упругая устойчивость (собственно устойчивость) — способность быстро восстанавливаться при снятии нагрузки. В разных терминах имеются различные смысловые оттенки, которые нужно учитывать.

Системы с высокой резидентной устойчивостью способны воспринимать значительные воздействия, не изменяя существенно своей структуры, то есть практически не выходя за пределы равновесного состояния.

Поэтому понятие упругой устойчивости для них не определено (если система не выходила за пределы равновесия, то как можно говорить о возвращении в равновесное состояние после снятия возмущения). Если внешнее воздействие превышает определенные критические значения, то такая система обычно разрушается. В технике подобное качество называется жесткостью. Предельные значения внешних воздействий, которые система способна выдержать без разрушения соответствуют запасу жесткости. Когда говорят о высокой резидентной устойчивости, то имеется в виду именно высокий запас жесткости данной системы. Это несколько отличается от понятия высокой стабильности, так как здесь в первую очередь внимание обращается на неизменность структуры. Тундра, например, обладает высокой стабильностью, но она очень ранима, у нее малый запас жесткости, то есть малая резидентная устойчивость. Экосистему тундры очень легко разрушить. Достаточно проехать вездеходу. Колеи, которые он оставляют за собой, сохраняются десятилетиями. Такие экосистемы по аналогии с техникой можно назвать хрупкими.

Системы с малой резидентной устойчивостью для нормального существования должны обладать высокой упругой устойчивостью. Они более чувствительны к внешним возмущениям, под действием которых они как бы «прогибаются», частично деформируя свою структуру, но после снятия или ослабления внешних воздействий быстро возвращаются в исходное равновесное состояние. При превышении пороговых воздействий такая система теряет устойчивость, то есть все дальше удаляется от состояния равновесия. Диапазон воздействий, которые может выдержать система без разрушения, в технике соответствует запасу упругости. Таким образом, степень упругой устойчивости можно оценить как упругостью, определяющей степень сопротивления внешнему воздействию и скорость возврата в исходное состояние после снятия воздействия, так и запасом упругости. В отличие от упругих систем, пластичные системы после снятия внешнего воздействия не возвращаются в исходное состояние, а приходят к какому-то другому равновесному состоянию.

Так согласно точке зрения оппонентов теории моноклимакса, для экосистем характерно не одно, а несколько состояний равновесия (климакса). Таким образом, для пластичных экосистем характерна малая упругая и малая резидентная устойчивость.

Похоже на то, что резидентная и упругая устойчивости взаимоисключают друг друга, точнее, экосистеме трудно развивать оба вида устойчивости. Например, одни леса состоят из деревьев с толстой корой, обладающих повышенной резидентной устойчивостью к пожарам. Но если такой лес все-таки сгорит, то его восстановление, как правило, крайне проблематично. Напротив, многие леса очень часто горят (низкая резидентная устойчивость), но быстро восстанавливаются (высокая упругая устойчивость). Ориентация экосистем на один из видов устойчивости определяется, как правило, изменчивостью среды: при стабильных условиях экосистемы склонны к более высокой резидентной устойчивости, при изменчивых условиях предпочтение отдается упругой устойчивости.

Рис. 12.3

Природа обоих видов устойчивости состоит в наличии в экосистеме разного рода обратных связей. В основном это отрицательные обратные связи, которые направлены на стабилизацию параметров экосистемы, возвращая их значения к какой-то изначально заданной величине. Однако немаловажную роль играют и положительные обратные связи, усиливающие благоприятные для системы изменения, например, в плане роста и выживаемости организмов. Однако деятельность положительных обратных связей обязательно должна быть ограничена соответствующими отрицательными обратными связями, иначе ничем не контролируемая экспансия жизни может привести экосистему к гибели. В обоих случаях схема управления выглядит одинаково (рис.25).

Механизмы реализации обратных связей называются механизмами гомеостаза (от греческих слов homoios — подобный, одинаковый и ststis — состояние). Обычно они достаточно сложны, так как их компоненты связаны в единые информационные сети факторами среды, а также различными физическими и химическими агентами – «посредниками», подобно тому, как нервная или гормональная системы связывают в одно целое части организма. Примером может служить сильная реакция организмов в экосистеме на слабые концентрации некоторых веществ. С энергетической точки зрения можно выделить одну закономерность, о которой уже говорилось ранее: обладатели высококачественной энергии, оставаясь в меньшинстве, управляют большими потоками энергии более низкого качества. Например, хищники управляют численностью травоядных животных. В то же время активность хищников и их численность управляется численностью их жертв по цепи обратной связи. По этой цепи на более высококачественный энергетический уровень (к хищникам) подается небольшая часть низкокачественной энергии — хищники уничтожают не всех жертв, а лишь небольшой их процент. Причем влияние этой части энергии на управление всей системой существенно усиливается деятельностью хищников.

Помимо отрицательной обратной связи устойчивость экосистемы может быть обеспечена избыточностью компонентов. Например, если в системе имеется несколько автотрофов, каждый из которых характеризуется своим температурным диапазоном функционирования, то скорость фотосинтеза сообщества в целом может оставаться неизменной, несмотря на колебания температуры.

То же самое можно сказать и про гетеротрофов. Поэтому видовое разнообразие способствует повышению устойчивости экосистем (закон Эшби). При этом как в случае резидентной, так и в случае упругой устойчивости расширяется диапазон пороговых воздействий, которые способны выдержать экосистема без разрушения (запас жесткости и запас упругости).

Так, например, для тундры с ее бедным разнообразием характерны такие проявления низкой упругой устойчивости, как периодические резкие увеличения численности мелких грызунов — леммингов. О малой резидентной устойчивости тундры мы уже говорили. Экосистема тундры очень ранима и очень долго восстанавливается. В то же время тропические леса с их богатым разнообразием способны достаточно быстро залечивать свои раны. Легенды повествуют о целых городах, поглощенных джунглями, население которых не могло справиться с их натиском и вынуждено было уходить в другие районы.

Если разные стадии сукцессии экосистемы считать квазистатическими состояниями, то здесь можно отметить ряд закономерностей. На первых стадиях сукцессии экосистемы способны очень быстро возобновляться. Например, мы можем распахать по весне все поле, но уже к осени оно будет укрыто травами. Это говорит о достаточно высокой упругой устойчивости на начальных стадиях сукцессии, которая по мере движения к климаксу постоянно снижается. То есть на каждой следующей стадии для восстановления исходного состояния требуется гораздо больше времени. Климаксный лес характеризуется очень малой упругой устойчивостью.

Для резидентной устойчивости тенденция обратная. На первых стадиях сукцессии резидентная устойчивость остается достаточно невысокой — системы очень чувствительны к внешним воздействиям, откликаясь на них повышенным динамизмом. Например, заросли кустарника или молодой березняк может быть легко поврежден вездеходом (малая резидентная устойчивость), однако вторичная сукцессия достаточно быстро «затянет» повреждение (высокая упругая устойчивость). По мере роста видового разнообразия резидентная устойчивость непрерывно растет.

При этом растет одновременно и жесткость системы (стабильность) и запас жесткости (взрослый лес вездеход так просто не одолеет). Однако по мере приближения к климаксу, как уже было показано, экосистема становится более чувствительна к действию некоторых катастрофических факторов среды (бури, пожары и т.п.). То есть на фоне продолжающегося роста стабильности (жесткости), запас жесткости экосистемы при движении ее к климаксу, по-видимому, начинает уменьшаться, что можно объяснить преобладанием в ней старых деревьев. Это говорит о том, что она становится все более хрупкой.

Как уже было сказано, для реальных лесов характерен, как правило, мозаичный климакс. По-видимому, именно такой лес имеет наилучший комплекс показателей устойчивости и стабильности. Периодические сильные воздействия на него в целом лес выдерживает достаточно жестко, жертвуя лишь наиболее старыми и хрупкими участками, которые, даже если они превращаются после пожара в абсолютно пустые пространства, в условиях непосредственной близости неповрежденного леса восстанавливаются сравнительно быстро.

Примером абсолютно нежизнеспособных экосистем являются агроценозы, создаваемы человеком из однолетних и двулетних культурных растений, то есть продукты сельскохозяйственной деятельности человека. Многие экологи даже не считают их экосистемами, хотя есть все основания считать их экосистемами с искусственно поддерживаемыми начальными стадиями сукцессии. Заброшенные поля сразу же втягиваются в естественный ход сукцессии. Что касается возделываемых полей, то они существуют только за счет человека. Свидетельством их нежизнеспособности является крайне малая устойчивость как упругая, так и резидентная, что является следствием очень скудного видового разнообразия как флоры (все сорняки подавляются гербицидами), так и фауны («вредных» насекомых мы травим пестицидами). Малая упругая устойчивость проявляется, например, в резких вспышках численности конкретных видов вредителей. Подобные вспышки в естественной природе наблюдаются очень редко. Малая резидентная устойчивость проявляется, например, в повышенной чувствительности посевов к природным условиям, таким как град, засуха, повышенное количество осадков и т.

д.

Осваивая все большие территории планеты, человек продолжает стратегию обеднения видового разнообразия. Этим он все более подрывает способность природы сопротивляться внешним воздействиям и возвращаться в исходное состояние. Как знать, может быть, роковая черта, за которой начинаются необратимые изменения, уже пройдена. Это значит, что биосфера никогда больше не придет к исходному состоянию. Это значит, что мы вступили на путь глобальных перемен, которые постепенно изменят жизнь на Земле самым коренным образом. Будет ли в этом мире место человеку?

Устойчивость экосистемы — материалы для подготовки к ЕГЭ по Биологии

Автор статьи — Л.В. Окольнова.

Устойчивость экосистемы не постоянна. Со временем все меняется — там, где были реки и леса, появляются пустыни.

Однако, в течение определенного и достаточно длительного времени экосистема устойчива и у этой устойчивости есть определенные критерии.

Критерий №1

Поток энергии и круговорот веществ.

Откуда берется энергия? Растения (продуценты) получают солнечную энергию и неорганические вещества, превращают это в энергию соединений — органических веществ.

Дальше по известной схеме трофических сетей органические вещества переходят с одного уровня на другой и поступают к редуцентам.

Задача редуцентов — вернуть элементы соединений в окружающую среду — органические вещества перерабатываются в неорганические.

Критерий №2

Видовое разнообразие.

Чем больше видов на каждом трофическом уровне, тем выше устойчивость. Логика здесь очень простая — если исчезнет какой-то один вид, то от этого исчезновения не должен зависеть трофический уровень — кто-то встанет на его место.

Критерий №3

Саморегуляция.

Самый загадочный критерий. Как организм залечивает раны, так и экосистема способная восстанавливаться. Природные катаклизмы, естественные процессы и человек могут серьезно повлиять на устойчивость — животные могут мигрировать, погибать, пищевые связи “трещат” по швам”, но проходит время и система самовосстанавливается.

И все же экосистемы вечными не бывают.

Давайте рассмотрим примеры смен экосистем (кстати, в ЕГЭ эти вопросы встречаются в части С).

Каменистая экосистема -> лесной массив

Абиотические разрушающие факторы: свет, выветривание, влажность;
Биотические разрушающие факторы: бактерии, лишайники, водоросли, грибы;

Создаются органические вещества, которые способствуют образованию почвы.

Первыми ее заселят неприхотливые организмы — лишайники ( это вообще “пионеры” экосистем) и мхи.

Затем появятся травянистые формы, потом кустарники и затем уже деревья.

Сукцессия водоема

Водоем зарастает зелеными водорослями. Образуется “ковер”, другим растениям и животным не хватает кислорода и постепенно водоем заболачивается. Но, появляются организмы. приспособленные к такой среде. Появляется все больше травы, потом появляются кустарники — появляется мокрый луг, где свободно могут прорастать ягоды, грибы, обитать птицы. Еще несколько лет, и на месте водоема появляется лес.

Благодарим за то, что пользуйтесь нашими материалами. Информация на странице «Устойчивость экосистемы.» подготовлена нашими авторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к экзаменам. Чтобы успешно сдать необходимые и поступить в высшее учебное заведение или колледж нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий. Также вы можете воспользоваться другими материалами из разделов нашего сайта.

Публикация обновлена: 07.01.2023

Элементы биоразнообразия

ЧТО И ГДЕ ЭТО ТАКОЕ

Биоразнообразие, n.
Изменчивость живых организмов на Земле, включая изменчивость внутри и между видами, а также внутри и между экосистемами.

Биологическое разнообразие, часто сокращаемое до биоразнообразия, представляет собой разнообразие жизни на всех уровнях биологической организации, относящееся не только к сумме форм жизни на территории, но и к диапазону различий между этими формами. Биоразнообразие охватывает весь спектр от генетического разнообразия в одной популяции до разнообразия экосистем по всему миру.

Большее биоразнообразие экосистем, видов и особей ведет к большей стабильности. Например, виды с высоким генетическим разнообразием и многочисленными популяциями, адаптированными к широкому спектру условий, с большей вероятностью будут способны переносить нарушения погоды, болезни и изменение климата. Большее биоразнообразие также обогащает нас большим разнообразием продуктов питания и лекарств.

Измерение биоразнообразия является сложным и имеет как качественный, так и количественный аспект. Если вид генетически уникален — если, например, он находится далеко в отдаленной части эволюционного древа, как характерный, своеобразный утконос, — его ценность с точки зрения биоразнообразия выше, чем у вида, сгруппированного со многими похожими видами, потому что он сохраняет уникальная часть эволюционной истории планеты. Это означает, что биоразнообразие не может быть определено просто как совокупность генов, видов или местообитаний, но должно также пониматься как мера разнообразия их различий.

Тем не менее, самый простой сокращенный способ описания биоразнообразия часто заключается в подсчете видов. Текущие оценки глобального видового разнообразия варьируются от 2 до 100 миллионов видов, а по общепринятым оценкам — от 13 до 14 миллионов. Большинство из них — членистоногие. Но о большинстве видов известно очень мало. Было описано всего около 1,5 миллиона видов, и только от 40 000 до 50 000 видов прошли оценку их охранного статуса. Считается, что примерно треть из них находится под угрозой исчезновения.

Разнообразие сконцентрировано в определенных районах и наиболее высоко в тропиках, в полосе вокруг экватора, постепенно уменьшаясь к полярным регионам. Конкретные места с высоким общим разнообразием или высоким уровнем эндемизма — массивы видов, не встречающиеся больше нигде — часто называются горячими точками и включают части юго-запада США и Мексики, Бразилии, Калифорнии и Южной Африки, а также Гавайи, Мадагаскар, Новую Азию. Зеландия и другие острова по всему миру. Конечно, каждую нетронутую экосистему — горячую точку или нет — важно сохранить не только потому, что все они предоставляют такие услуги, как чистая вода и смягчение климата, но и потому, что каждая из них содержит уникальный экологический состав и бесценную эволюционную информацию.

ОТКУДА ОНО ВОЗНИКЛО

Биоразнообразие Земли является результатом 4 миллиардов лет эволюции — изменения унаследованных признаков популяции организмов от одного поколения к другому. Примерно 600 миллионов лет назад жизнь состояла из одноклеточных организмов.

История биоразнообразия в фанерозойскую эру (последние 540 млн лет) начинается с бурного нарастания кембрийского взрыва — периода появления большинства типов многоклеточных организмов. В течение следующих 400 миллионов лет глобальное разнообразие не демонстрировало общей тенденции и было отмечено периодическими массовыми потерями разнообразия, классифицируемыми как события массового вымирания. Крупнейшее из них произошло около 250 миллионов лет назад, и его часто называют P-Tr или пермско-триасовым вымиранием; Считается, что различные механизмы, от учащения извержений вулканов до резкого снижения содержания кислорода в воздухе, способствовали P-Tr, в результате которого погибло около 9 человек. 6 процентов всех морских видов и примерно 70 процентов наземных видов. Восстановление после этого «Великого вымирания» даже не началось в течение 4–6 миллионов лет, в течение которых по земле бродило лишь небольшое количество устойчивых видов. Самое последнее массовое вымирание, событие K-T, произошло 65 миллионов лет назад и положило конец правлению динозавров.

Причины предыдущих массовых вымираний до конца не изучены, но вымирания, как правило, происходят, когда долгосрочные стрессы, такие как изменение климата, усугубляются внезапными потрясениями. Четыре из пяти предыдущих случаев массового вымирания, вероятно, были вызваны выбросами парниковых газов и связанным с этим глобальным потеплением; только событие K-T, по-видимому, не привело к потеплению.

Большинство биологов сходятся во мнении, что наша эра включает в себя новое, шестое массовое вымирание, событие голоценового вымирания, вызванное продолжающимся воздействием человека на биосферу — в первую очередь многочисленными формами разрушения и фрагментации среды обитания. Глобальное потепление скоро превзойдет другие угрозы и станет главной причиной вымирания. Такие ученые, как Э.О. Уилсон утверждает, что нынешняя скорость вымирания, которая в 100–10 000 раз превышает «фоновую» скорость (и, по прогнозам, будет расти), уничтожит большинство видов на Земле в течение следующего столетия.

ПОЧЕМУ ЭТО ВАЖНО

Помимо своей внутренней ценности, биоразнообразие необходимо для выживания человека. Разнообразие экосистем имеет решающее значение для целостности экосистемы, что, в свою очередь, обеспечивает нашу жизнь, обеспечивая пригодный для жизни климат, пригодный для дыхания воздух и питьевую воду. Разнообразие пищевых культур и насекомые-опылители и летучие мыши позволяют сельскому хозяйству поддерживать наше население; когда болезнь поражает продовольственную культуру, только разнообразие может спасти систему от коллапса. Разнообразие растений и животных является строительным материалом для медицины, как текущей, так и потенциальной; почти половина фармацевтических препаратов, используемых сегодня в Соединенных Штатах, производится с использованием природных соединений, многие из которых не могут быть синтезированы. Они также поставляют важнейшие промышленные продукты, используемые для строительства наших домов и предприятий, от древесины и каучука до топлива, которое поддерживает нашу экономику — даже уголь и нефть являются продуктами древнего растительного материала и сохранившихся остатков зоопланктона.

Биоразнообразие играет центральную мифическую и символическую роль в нашем языке, религии, литературе, искусстве и музыке, что делает его ключевым компонентом человеческой культуры с благами для общества, которые не поддаются количественной оценке, но явно огромны. С самой ранней предыстории люди никогда не жили в мире с низким биоразнообразием. Мы всегда зависели от разнообразной и богатой природной среды как для нашего физического выживания, так и для нашего психологического и духовного здоровья. По мере того, как вымирание умножается и не может быть отменено, мы продвигаемся все дальше и дальше в неизведанные земли — путешествие, из которого нет возврата.

Фото белоголового лемура предоставлено Flickr Commons/Frank Vassen

Ученые лучше понимают, как экосистемы становятся нестабильными

«Мы можем проследить границу, которая предсказывает потерю стабильности и начало колебаний популяции».

Фото: Pixabay/cocoparisienne

Фото: Pixabay/cocoparisienne

Экосистемы представляют собой чрезвычайно сложные системы, в которых даже относительно незначительные изменения могут вызвать крупномасштабные последствия. Однако при всем при этом знание только двух переменных может помочь нам предсказать здоровье экосистемы. Это, по мнению ученых из Массачусетского технологического института, количество видов и сила их взаимодействия.

Исследователи из Массачусетского технологического института, которые специализируются на изучении межвидовых взаимодействий между микробами в ходе контролируемых экспериментов в лаборатории, решили рассчитать, какие условия были необходимы для перехода сообществ из одного состояния в другое в течение трех различных стадий развития.

Этот подход дал «фазовую диаграмму», которая напоминает диаграммы, используемые физиками для отслеживания условий, необходимых для перехода воды из твердого состояния в жидкое и в газообразное.

«Что удивительно и замечательно в фазовой диаграмме, так это то, что она суммирует большой объем информации в очень простой форме. Мы можем проследить границу, которая предсказывает потерю стабильности и начало колебаний популяции», — объясняет Джефф Гор, профессор физики Массачусетского технологического института, руководивший проектом, результаты которого только что были опубликованы в исследовании.

«Чтобы увидеть фазовые переходы в лаборатории, действительно необходимо иметь экспериментальные сообщества, где вы можете сами крутить ручки и проводить количественные измерения того, что происходит», — добавляет он.

Гор и его коллеги ранее продемонстрировали, как конкурентное и кооперативное поведение влияет на популяции, что помогло им выявить ранние признаки исчезновения популяций в более крупных экосистемах. При этом Гор решил проверить некоторые предсказания физиков-теоретиков относительно динамики больших и сложных экосистем.

«Одно из этих предсказаний заключалось в том, что экосистемы проходят фазы различной стабильности в зависимости от количества видов в сообществе и степени взаимодействия между видами. В этой структуре тип взаимодействия — хищнический, конкурентный или кооперативный — не имеет значения. Имеет значение только сила взаимодействия», — поясняют ученые.

Чтобы проверить это предсказание, Гор и его коллеги создали сообщества бактерий до 48 видов. В каждом исследователи контролировали количество видов, формируя разные сообщества с разными наборами видов.

Затем они усилили взаимодействие между видами, увеличив количество доступной пищи, что позволило увеличить популяцию, вызывая изменения окружающей среды, такие как повышенное закисление. Испытания подтвердили предсказание о том, что сначала каждое сообщество будет существовать в фазе «стабильного полного существования», когда все виды сосуществуют практически без вмешательства.

Однако, когда количество видов или их взаимодействие увеличилось, сообщества вступили во вторую фазу, называемую «стабильным частичным сосуществованием», когда популяции остаются стабильными, а некоторые виды вымирают. «Общее сообщество оставалось в стабильном состоянии, а это означает, что популяция возвращается в состояние равновесия после вымирания некоторых видов», — объясняют ученые.

Как только число видов или сила их взаимодействия увеличились еще больше, сообщества вступили в третью фазу, которая была отмечена повышенной нестабильностью с гораздо более резкими колебаниями популяции. Однако даже после того, как некоторые виды вымерли, в этих экосистемах часто оставалось большее общее количество выживших видов.

«Используя эти данные, [мы] смогли нарисовать фазовую диаграмму, которая описывает, как меняются экосистемы, основываясь всего на двух факторах: количестве видов и силе взаимодействия между ними», — отмечают ученые.

«Это аналогично тому, как физики могут описывать изменения в поведении воды, основываясь только на двух условиях: температуре и давлении. Детальное знание точной скорости и положения каждой молекулы воды не требуется», — добавляют они.

Это понимание экосистем важно, потому что теперь можно делать точные прогнозы о них, основываясь всего на нескольких известных фактах.

«Хотя мы не можем получить доступ ко всем биологическим механизмам и параметрам в сложной экосистеме, мы демонстрируем, что ее разнообразие и динамика могут быть эмерджентными явлениями, которые можно предсказать, исходя всего из нескольких совокупных свойств экологического сообщества: размера видового пула и статистики межвидовых отношений. взаимодействий», — говорит Цзилианг Ху, аспирант Массачусетского технологического института, который был ключевым участником проекта.

Фазовая диаграмма, подобная этой, добавляет Гор, может помочь экологам делать прогнозы о том, что может происходить в естественных экосистемах, таких как леса, даже при наличии малой информации, потому что все, что им нужно знать, — это количество обитающих видов и насколько они близки друг к другу. взаимодействовать.

«Мы можем делать прогнозы или заявления о том, что собирается делать сообщество, даже при отсутствии подробных сведений о том, что происходит», — говорит Гор. «Мы даже не знаем, какие виды помогают или вредят другим видам. Эти прогнозы основаны исключительно на статистическом распределении взаимодействий внутри этого сложного сообщества».

Дальнейшая работа в Массачусетском технологическом институте в настоящее время направлена ​​на изучение потока новых видов между изолированными популяциями, такими как те, которые похожи на островные экосистемы, влияет на динамику этих популяций.