Экосистемы: почему они устойчивы? Почему изменяются?

Не существует ни жестких структур, ни сил, предотвращающих изменения в экосистемах. Они вполне могут изменяться, даже радикальным образом, в зависимости от условий. Одна из причин, позволяющих экосистемам длительное время сохранять видовой состав, заключается в том, что отношения между всеми компонентами находятся в динамическом равновесии.

Каждый вид организмов в составе экосистемы представлен популяцией. Стабильность популяции означает, что рождаемость в ней уравновешена смертностью (рис.7).

Совокупность факторов, способствующих увеличению численности популяции, называют биотическим потенциалом. У всех видов он достаточно высок для стремительного увеличения численности при благоприятных условиях. Но обычно этого не происходит из-за действия различных лимитирующих факторов, называемых сопротивлением среды.

Поэтому любое изменение популяции - это результат нарушения равновесия между ее биотическим потенциалом и сопротивлением среды.

Равновесие в природных системах обычно поддерживается в пределах некоторого диапазона отклонений от него, т.к. факторы сопротивления среды зависимы от плотности популяции. Однако если плотность популяции упадет ниже критической численности, то ее вымирание становится неизбежным. С другой стороны, вспышки численности популяции какого-либо вида в конце концов приводят к резкому увеличению сопротивления среды, что может также привести к полному краху популяции.

Установлено, что чем более разнообразна по видовому составу экосистема, тем меньше амплитуда колебаний численности входящих в нее популяций. Поскольку взаимодействия в экосистемах между организмами главным образом происходят в рамках пищевых сетей, то можно заключить, что видовое разнообразие обеспечивает стабильность экосистем.

Изменение экосистем.

Изменение внешних условий приводит к процессу вытеснения одних видов другими, называемому сукцессией. Различают первичную сукцессию (процесс развития экосистем на ранее незаселенных участках) и вторичную сукцессию (восстановление экосистемы, когда-то уже существовавшей на данной территории).

Сукцессия завершается стадией, когда все виды экосистемы, размножаясь, сохраняют относительно постоянную численность и дальнейшей смены ее состава не происходит. Такое равновесие называется климаксом, а равновесную экосистему называют климаксовой. К таким экосистемам относятся все основные биомы.

При сукцессиях изменения происходят достаточно медленно и постепенно. Однако возможны и внезапные резкие изменения. В этом случае возможны экологические нарушения (изменения численности популяций) или гибель экосистем (полное исчезновение видов).

Экосистемы: адаптация и изменение или вымирание?

Итак, устойчивое равновесие между видами существует благодаря их адаптации друг к другу и к окружающей среде. Чтобы сохранить биосферу, нужно поддерживать это равновесие и по возможности вводить его в нашу собственную человеческую экосистему. Чтобы оценить сложность проблемы, необходимо понять, как виды приспосабливаются к условиям и каковы границы их возможностей.

Одна из важнейших особенностей каждого вида - изменчивость составляющих его особей.

Исследования последних 40 лет показали, что наследственная основа признаков любого вида закодирована в молекулах ДНК, присутствующих в каждой клетке организма. Эти молекулы образуют гены организма. Их совокупность называют генотипом. Генотип практически всех организмов представлен не одним, а двумя наборами генов (подобно обуви - "левые" и "правые" туфли). У каждой особи может быть только два гена данного признака, но в крупной популяции обычно существует множество их "вариантов", или аллелей.

Рост тела сопровождается делением клеток, в ходе которого каждая новая клетка получает точную копию обоих наборов генов. Однако при образовании яйцеклеток и сперматозоидов процесс деления происходит иначе, и в них попадает только по одному набору. Тек как при этом разделение на "левые" и "правые" гены носит случайный характер, то в результате оплодотворения возникают новые их комбинации, отличные от родительских. Эта генетическая изменчивость и лежит в основе наследственной изменчивости признаков.

Еще одним источником наследственной изменчивости служат мутации. Они представляют собой случайные изменения ДНК и могут затрагивать любой ген или группу генов. Мутации происходят спонтанно, т.е. без видимых причин. Хотя они достаточно редки, именно таким путем возникли и продолжают возникать различные генные аллели.

Совокупность образцов генов всех особей популяции называют популяционным генофондом. А все генные аллели всех популяций данного вида составляют его видовой генофонд.

Генофонд модно изменить целенаправленно с помощью искусственного отбора. Здесь существуют методы селекции (отбор по желаемым признакам), гибридизации (близкородственного скрещивания) и генной инженерии (прямая пересадка участков ДНК).

В природе на популяции также непрерывно действует отбор. Каждое поколение любого вида подвергается отбору на выживаемость и воспроизводимость. Особи, которые выживают и размножаются, передают свои аллели следующему поколению, а аллели тех, что погибли, не оставив потомства, отсеиваются из генофонда. Таким образом, генофонд каждого поколения испытывает действие естественного отбора. Благодаря ему в популяциях все шире распространяются аллели признаков, способствующих выживанию и воспроизведению особей.

Поэтому неудивительно, что практически все признаки организмов в той или иной мере служат этим целями.

Большинство адаптаций каждого вида связано с приспособлением к другим видам экосистемы и ее абиотическим факторам. В природе как бы идет естественный отбор на устойчивость взаимоотношений. Неуравновешенные системы просто отсеиваются в результате гибели составляющих их видов.

При изменении любого биотического или абиотического фактора вид, плохо приспособленный к новым условиям, ожидает один из трех путей:

• Миграция. Часть популяции может эмигрировать, найти местообитания с подходящими условиями и продолжать там свое существование.

• Адаптация. В генофонде могут присутствовать аллели, которые позволят некоторым особям выжить в новых условиях и оставить потомство. Через несколько поколений под действием естественного отбора возникнет популяция, хорошо приспособленная к изменившимся условиям существования.

• Вымирание. Если ни одна особь популяции не может мигрировать, спасаясь от воздействия неблагоприятных факторов, а те выходят за пределы устойчивости всех индивидов, то популяция вымрет, а ее генофонд исчезнет.

Что же определяет судьбу вида?

Первое условие адаптации - выживание и размножение хотя бы нескольких особей в новых условиях. Это зависит от двух факторов: генетического разнообразия генофонда и степени изменения среды.

Второе условие адаптации - скорость воспроизведения, поскольку изменение признаков происходит только путем отбора в каждом поколении.

К этому следует добавить еще два фактора - географическое распространение и размер особи.

В связи с этим возникает вопрос есть ли какие-нибудь основания считать, что человек - это вершина эволюции, ее конечная точка? Ясное дело, нет! Наоборот, очевидно, что все процессы генетических изменений, ведущие к появлению новых видов и вымиранию уже существующих, непрерывно продолжаются.

По-прежнему основное условие, определяющее жизнеспособность вида - его способность устанавливать и поддерживать равновесие с другими видами в пределах экосистемы, обеспечивающей эффективный круговорот биогенов и устойчивый поток энергии.

С учетом этого человек может оказаться не более чем проходным персонажем на эволюционной сцене.

Поэтому мы стоим на пороге очередного важного "эволюционного события", которое определит дальнейшее развитие жизни на Земле. Либо произойдет разрушение биосферы, либо мы научимся контролировать свою всесокрушающую мощь и создадим устойчивую человеческую экосистему, где будет соблюдаться равновесие между всеми существующими на Земле видами.

Очевидно, здесь нет альтернативы. Зная основные принципы устойчивости и равновесия природных экосистем, мы должны применить их в человеческом обществе - и построить здание на фундаменте, который уже заложен.

 Из 96 существующих в природе элементов, в организмах обнаружено только около 20. Наиболее важны из них углерод (С), водород (Н), азот (N), кислород (О), сера (S) и фосфор (Р). Акроним для запоминания: N.CHOPS.