Принципы функционирования экосистем.

Обобщая все вышесказанное, можно сформулировать следующие основные принципы функционирования экосистем.

Первый принцип функционирования экосистем - получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов таблицы Менделеева.

По сути, этот принцип отражает закон сохранения массы. Рассмотрим схемы движения трех наиболее важных элементов – углерода, фосфора и азота.

Цикл углерода.

Общая схема круговорота углерода в экосистемах достаточно проста (рис. 4).

Особенность: Ископаемое топливо, миллионы лет назад исключенное из цикла, сейчас, в результате деятельности человека, вновь поступает в атмосферу. Это может привести к изменению климата и всех экосистем Земли.

Цикл фосфора.

Круговорот фосфора также происходит в рамках всей экосистемы (рис. 5).

Особенности: Фосфаты растворимы в воде, но нелетучи, поэтому могут накапливаться в водоемах. Для циркуляции фосфора необходимо, чтобы "отходы" жизнедеятельности организмов откладывались в местах поглощения данного элемента. В экосистеме человека этого нет. Урожай собирают в одном месте, а "отходы" сбрасывают в водоемы в другом.

Цикл азота.

Круговорот азота (рис. 6) несколько сложнее, поскольку включает как газовую, так и минеральную фазу. Основная часть атомов азота находится в воздухе, который на 78% состоит из одноименного газа (N₂). Однако растения не могут усваивать его непосредственно; для этого азот должен входить в состав ионов аммония ( ) или нитрата ( ). К счастью, некоторые бактерии и водоросли способны превращать газообразный N₂ в аммонийную форму в ходе так называемой азотфиксации.

Особенности: Люди научились производить химическую азотфиксацию, но это дорого.

В хозяйственной деятельности человека круговорот веществ отсутствует. Поэтому происходит истощение ресурсов, с одной стороны, и загрязнение окружающей среды - с другой.

Второй принцип функционирования экосистем - экосистемы существуют за счет не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.

Согласно второму началу термодинамики, часть энергии, преобразующейся из одного вида в другой, неизбежно переходит в тепло. Поэтому для поддержания жизни необходимо постоянное поступление потока энергии извне экосистемы. Единственный источник энергии для всех экосистем Земли – солнечный свет. Рассмотрим вкратце его характеристики.

Избыток - растения используют всего лишь 0.5% количества солнечной энергии, достигающей Земли. Даже если все энергетические потребности человечества будут удовлетворяться только за счет солнечной энергии, это составит еще меньшую долю.

Чистота - поскольку вся солнечная энергия в конечном счете превращается в тепло, увеличение ее использования для хозяйственных нужд человека не должно повлиять на динамику биосферы. Расстояние до Солнца (150 млн. км) ограждает биосферу от радиоактивных излучений.

Постоянство - солнечная энергия всегда будет доступна в одинаковом (безграничном) количестве и по неизменной цене (бесплатно). В то же время она слишком рассеяна; чтобы служить человечеству ее надо сконцентрировать.

Вечность - астрономы полагают, что Солнце будет светить еще несколько миллиардов лет. Человечество же как вид существует только около 3-х миллионов лет.

До промышленной революции люди облегчали свой труд, используя энергию домашних животных, дров, ветра и воды. Все это - непрямые источники солнечной энергии. Лишь в последние 250 лет мы стали использовать ископаемое топливо, но даже спустя такой короткий срок оказались на пороге истощения его ресурсов. Более того, его сжигание породило многочисленные проблемы загрязнения окружающей среды.

Третий принцип функционирования экосистем - чем больше биомасса популяции, тем ниже должен быть занимаемый ею трофический уровень. Т.е. на конце длинных пищевых цепей не должно быть большой биомассы.

Питаясь мясом, человек занимает 3-й трофический уровень. Для производства 1 кг мяса требуется от 10 до 20 кг зерна. Это тяжелое бремя для сельского хозяйства. Поэтому рост численности населения при снижении плодородия земель чреват продовольственным кризисом.

Но этот принцип имеет более универсальную трактовку. Ведь пища – не единственная потребность человека. По сути, речь идет о принципе согласования любых запросов с имеющимися, увы, далеко не безграничными ресурсами. Чем больше потребителей какого-либо ресурса, тем меньшими «порциями» он им достается.