Доклад Нестеровой А.

Нарушения в сообществах. Разнообразие нарушений и их классификации. Бедствия, катастрофы и кризисы

Введение

Экосистема – это основная функциональная единица в экологии, в которую входят компоненты как живой, так и неживой природы, взаимно влияющие на свойства друг друга и необходимые для поддержания жизни на нашей планете [1]. Взаимодействие живых организмов друг с другом и с окружающей средой носит как экологический (абиотические и биотические факторы), так и энергетический характер (потоки энергии и вещества). Формирующаяся при этом единая, целостная система способна к саморегуляции, что является её отличительной особенностью. Саморегуляция в экосистеме происходит благодаря балансу веществ и энергии в биологическом круговороте, в котором восходящая ветвь равна нисходящей. Когда баланс биологического круговорота нарушен, система выходит из состояния равновесия, и ее фитоценоз, зооценоз, микоценоз и микробоценоз начнут изменяться до тех пор, пока не наступит новое состояние равновесия. Таким образом, устойчивость экосистемы характеризуется её способностью возвращаться в исходное состояние.

У каждой экосистемы есть пределы изменения параметров, при которых она еще может вернуться в равновесное состояние. Но когда изменение превышает эти пределы, то система разрушается или переходит в новое равновесное состояние, в котором норма каждого компонента будет уже другой. Например, если выборочно убрать из древостоя 10-15% деревьев, то экосистема леса через несколько лет восстановится, и на месте вырубленных деревьев вырастут новые, возобновившиеся из семян, сохранившихся в почве. Но если вырубить все деревья, выкорчевать пни и землю распахать, то экосистема леса не восстановится. Она может возникнуть здесь заново, если поле перестанут пахать, и на это место попадут семена тех видов деревьев, кустарников и трав, споры мхов, плаунов и папоротников, которые здесь прежде росли. Но для этого потребуется очень много времени.

Состояние системы, при котором происходит её выход из состояния равновесия, происходит ее качественная перестройка, нарушение сообщества, называется критическим. По определению, момент качественного преобразования системы, при котором она переходит в новую область устойчивости, называется критической точкой или критическим состоянием [2].

Перемещение экосистем из одной области устойчивости в другую можно наблюдать, например, когда вырубается лес вблизи от границы со степью или с тундрой. Эти изменения часто бывают необратимыми — лес не восстанавливается, заменяется степным или тундровым ландшафтом.

Разнообразие нарушений

Нарушения природного экологического равновесия по степени их отклонения от исходного состояния подразделяют на бедствия, кризисы и катастрофы (рис.1).

Рис.1. Параметры нарушений различного уровня

При этом кризисы, не разрушают систему полностью, а приводят ее в состояние неустойчивости, из которого возможен выход к изменению уровня функционирования или управления системой, либо к гибели системы. Таки образом, кризис может быть и обратимым. Катастрофа — комплекс изменений в системе, которые ведут к ее исчезновению. При катастрофе нарушается одновременно большое количество взаимосвязей, прекращает функционировать системообразующий фактор, и система, как таковая, перестает существовать. Катастрофы в биосфере за время ее существования бывали редко и не оставляли генотипических следов, ибо приводили к вымиранию большого количества видов. После этого вымирания происходили крупные эволюционные перестройки, появлялись новые виды, значительно отличавшиеся по своей организации от предшествующих. Причинами катастроф были необратимые природные явления (локальные засухи, моры), а также перестройки (прежде всего климатические) во всей биосфере, связанные с периодами горообразования, глобальных потеплений или похолоданий, образования, движения или таяния ледников. Во время тех древних катастроф вымирало более половины всех живущих на Земле видов, причем исчезали климаксные (устойчивые) сообщества и планета заселялась как бы заново, уже другими видами, которыми начинались новые сукцессионные ряды.

В наши дни более 90% мировых стихийных бедствий приходится на наводнения, ураганы, землетрясения и засухи. Оставшиеся 10% в сумме составляют сели, цунами, торнадо, снегопады и т. п. По материальному ущербу для человека наиболее значимы наводнения, а по числу человеческих жертв — ураганы [3]. Примеры стихийных бедствий приведены на следующем рисунке:

1	2
3	4

Рис.2. Примеры стихийных бедствий: 1, 2- цунами, 3, 4 – торнадо (смерч)

Экологический кризис

Под экологическим кризисом в широком смысле слова понимается значительное региональное или локальное нарушение условий среды, которое приводит к полному или частичному нарушению местных экологических систем. Причинами экологических кризисов являются резкие изменения климата, состава атмосферы и почвы, уничтожение растительных сообществ и животного населения, повышение радиации и другие факторы, резко выводящие экосистемы из равновесия. К факторам среды, которые в конечном результате своего воздействия приводят к экологическим кризисам экосистем, относятся катастрофические природные факторы (извержение вулканов, наводнение, землетрясение, ураганы, пожары, эрозия и т. п.) и антропогенные факторы (зарегулирования рек, вырубки лесов, загрязнения атмосферы, гидросферы, почв и т.п.) (рис.3).

Рис.3. Факторы, приводящие к кризисам лесных экосистем: 1 – пожар (природный фактор); 2 – вырубка лесов (антропогенный фактор)

Однако, ни один из кризисов нельзя считать чисто экзогенным (обусловленным только внешними факторами). В ходе эволюции экосистем, в том числе и всей биоты, их устойчивость закономерно меняется. В стабильных условиях в сообществах происходит экологическая специализация видов. Повышается их конкурентоспособность и коадаптированность, но снижается толерантность к резким непредсказуемым изменениям среды. Особенно быстро экологическая специализация идет в доминирующих группах, для которых в стабильных условиях главная проблема - это конкуренция с другими представителями своей группы. Напротив, второстепенные, подчиненные группы вынуждены приспосабливаться к жизни "в тени" господствующих; им приходится занимать менее "удобные" ниши. Для них главная проблема - не конкуренция с себе подобными, а давление доминирующих групп и вызванная им необходимость приспосабливаться к "плохим", маргинальным, неустойчивым внешним условиям. В результате "подчиненные" группы не только сохраняют свою экологическую пластичность, приспособляемость, но могут и увеличивать ее. Поэтому, когда наступает резкое изменение условий, доминирующие группы вымирают, а второстепенные - выживают, занимают освободившиеся ниши и сами становятся господствующими.

Традиционно выделяются экологические кризисы естественного и антропогенного происхождения. Экологические кризисы первого рода органически присущи эволюционному процессу, являясь его неотъемлемой особенностью. На протяжении геологической истории кризисы происходили довольно часто в различных регионах планеты, кардинально воздействуя на характер протекания эволюционного процесса.

Эволюционная роль кризисов огромна. Стабильные сообщества тормозят, ограничивают и канализируют (направляют) эволюцию видов. Эволюция биосферы в спокойные периоды идет сравнительно медленно и детерминировано. Вновь появляющиеся формы, даже самые прогрессивные, почти никогда не могут вытеснить прежних доминантов из занятых ими ниш. Покрытосеменным это удалось далеко не сразу, а млекопитающим и вовсе пришлось ждать 100 млн. лет, пока не упал астероид и не освободил для них эволюционное пространство, «стерев» динозавров с лица Земли.

В результате кризиса появляется много свободного нишевого пространства; стабилизирующий отбор резко слабеет; происходит дестабилизация адаптивных норм, рост изменчивости и бурное формообразование. Эволюция при этом становится очень быстрой и мало предсказуемой. Однако, полностью непредсказуемой и "случайной" она не становится никогда, поскольку возможные пути эволюционных изменений очень жестко предопределены структурой организма и его онтогенеза. Снимается только один из двух главных ограничивающих и направляющих факторов эволюции - экосистемный; второй - организменный, "эпигенетический" - остается.

Кризисные явления разнообразны по своим пространственно-временным параметрам и последствиям для биосферы. Можно говорить о кризисе отдельной экосистемы, современным примером которой может быть усыхание еловых лесов. Региональный кризис охватывает различные экосистемы. Так, в Северной Европе наряду с усыханием лесов наблюдается резкое падение продуктивности озерных экосистем, которые становятся безрыбными. Наконец, биосферный кризис охватывает основные экосистемы моря и суши в глобальном масштабе.

В связи с этим все экологические кризисы делят на региональные и глобальные (рис.4). При региональных кризисах нарушается экологическое равновесие в каком-то регионе Земли, а при глобальных – на всем Земном шаре. Причинами глобальных экологических кризисов бывают резкие изменения климата, изменения скорости или направления морских течений, изменения светимости Солнца, изменения наклона земной оси к плоскости орбиты, изменения эксцентриситета орбиты Земли, быстрое таяние вечной мерзлоты и ледников и др.[4].

Рис.4. Пример регионального экологического кризиса: усыхание еловых лесов на территории РФ в результате засухи 2010 года

Человечество также является одной из причин региональных и глобального экологических кризисов из-за своей неразумной производственной деятельности и неограниченной рождаемости людей. Большинство учёных считает, что развитие человечества замедляет и даже полностью останавливает эволюционные процессы в биосфере. Спровоцированное человеком массовое вымирание, в отличие от "естественных" вымираний, ведет не к освобождению ниш, а к уничтожению или занятию их человеком.

Извлекая природные ресурсы, перерабатывая их, человечество воздействует на экосистемы так, что последствия становятся необратимыми и чрезвычайно опасными для человека. Нещадная эксплуатация лесов, почв, загрязнение атмосферы и гидросферы, чрезмерный выпас скота, агрессивные агротехники – все это является причинами многих региональных экологических кризисов, которые перерастают в кризис глобальный.

Аридизация (от лат. aridus – сухой) климата из-за космических причин усугубляется деятельностью человека. Распашка земель в сухих степях и полупустынях, расположенных на песчаных отложениях древних исчезнувших озер и морей, чрезмерно интенсивный выпас скота в таких степях приводят к тому, что растительность больше не скрепляет песчаный субстрат своими корнями. Пески начинают развеваться ветрами, засыпая леса, степи, луга, а нередко села и города. Такие явления наблюдаются в континентальных районах Китая, в Монголии, в Казахстане, на севере Африки, в Австралии и многих других регионах мира. Из эксплуатации при этом выводятся пастбища, пахотные земли, что является причиной голода населения этих мест (рис.5).

Рис.5. Аридизация климата приводит к высыханию рек и озер, снижению уровня грунтовых вод

На рис.6 видно, как бархан надвигается на некогда пахотное поле. Иссушение климата привело к тому, что поле пришлось забросить. Но неглубокое залегание грунтовых вод еще обеспечивает здесь рост оливковых деревьев. Однако вырвавшиеся на свободу пески засыпают и деревья.

Рис.6. Подвижные пески отвоевывают для пустыни новые территории, здесь они засыпают оливковые деревья

Прекратить движение песков очень трудно, для этого требуется посадить и приживить на их поверхности специальные виды трав и кустарников, способные жить в таких условиях. Когда эти растения разрастутся, то они закрепят поверхность дюн, и пески перестанут наступать [4].