Биология

Основные законы устойчивости живой природы

 

БИОЛОГИЯ

 9 КЛАСС

Тема: основы экологии

Урок 63. Основные законы устойчивости живой природы

Анисимов Алексей Станиславович,

учитель биологии и химии, 

Москва, 2012

 

Исследование, проведенное в Университете Тель-Авива, обнаружило интересную тенденцию. В 90% случаев торнадо в Атлантическом океане предшествовали сильные грозы на востоке Африки. Эти факты, видимо, подтверждают феномен, известный как «эффект бабочки» в «теории хаоса». Впервые о таком эффекте заговорил американский ученый Эдвард Лоренц. В качестве примера глобальных последствий минимальных воздействий Э. Н. Лоренц говорил, что бабочка, взмахивающая крыльями в Айове, за счет лавины последующих эффектов может вызвать муссон в Индонезии. В природе всё взаимосвязано, порой очень причудливо.

В мире существуют законы, регулирующие устойчивость отдельных экосистем и биосферы в целом. 

Людям необходимо понимать, на чем основана устойчивость популяций, сообществ и экосистем, чтобы соизмерять свою деятельность с законами природы. Наиболее важные  экологические закономерности, необходимые для сохранения устойчивости, – это цикличность, отрицательная обратная связь и биологическое разнообразие видов.

 Цикличность – многократное использование биогенных веществ. Она лежит в основе биологического круговорота, от которого зависит устойчивость экосистем.

Водород, кислород, углерод, азот, фосфор и другие биогенные элементы совершают постоянные и многократные миграции между телами организмов и физической средой.

Рис. 1.

Вплоть до живущих сейчас людей, включая атомы, побывавшие в составе тел древних стегоцефалов, первоптиц и мамонтов.

Циклическое использование ограниченного запаса веществ делает их практически неисчерпаемыми – на этом и основана непрерывность жизни. Иначе они бы давно уже израсходовались, и угасли бы все доступные ресурсы.

Следующая закономерность – отрицательные обратные связи в экосистеме.  Отрицательная обратная связь заключается в том, что отклонение от нормального состояния системы вызывает в ней такие изменения, которые вызывают противодействия  этим отклонениям. В итоге происходит регуляция, то есть возврат системы в исходное состояние. На отрицательных обратных связях основано самоподдержание сложных экосистем. Отрицательная обратная связь регулирует численность видов в биогеоценозе и осуществляется через биоценотические, то есть межвидовые отношения.  В основном это связи между хищником и жертвой, паразитом и хозяином.

Рис. 2.

Рост численности жертв, создавая хорошую кормовую базу для хищников, обеспечивает успешный рацион для размножения и численности следующим поколениям. При этом влияние хищников на популяции жертв возрастает в геометрической прогрессии, что приводит к резкому снижению численности последних, поэтому виды, у которых много природных врагов, редко достигают численности, опасной для подрыва их собственных ресурсов. Точно так же снижение численности жертв, согласно принципу обратной связи, приведет к снижению численности хищников.

Рис. 3. 

Сложную ситуацию создает своими руками человек, когда борется с вредителями химическими методами. Обычно хищники и паразиты более чувствительны к ядам, чем их жертвы. 

Поэтому после кратковременного снижения численности вредители, освобожденные от врагов, размножаются с новой силой. Здесь человек нарушает ту отрицательную обратную связь, которая лежала в основе обычного взаимодействия видов.

Следующая закономерность связана с биоразнообразием в экосистемах. В биологическом разнообразии видов кроется наиболее мощный механизм устойчивости экосистем. Живая природа подчинена принципу разнообразия, поскольку на Земле нет двух совершенно одинаковых  не только видов и сообществ, но и особей.

На основе изменчивости особей действует естественный отбор; на основе  разнообразия видов складываются сообщества и экосистемы.

Рис. 4.

Разнообразие видов позволило жизни освоить все уголки биосферы, существовать на всех географических широтах, во всех типах климата, глубинах океанов и толщах грунтов.

Биологический круговорот веществ в природе (http://survinat.ru/2010/10/chto-takoe-biologicheskij-krugovorot/#axzz2LpN9JWf9) требует участия видов с прямо противоположными функциями. Очевидно, что и на заре возникновения жизни существовало разнообразие организмов – иначе биологический круговорот не смог бы возникнуть. Разнообразие видов позволяет им формировать сообщества, занимать все экологические ниши и, тем самым, наиболее полно использовать ресурсы среды. В биогеоценозах, как мы видели, создается своего рода разделение труда между видами – их взаимная дополняемость, что и стабилизирует биогеоценоз. 

Рис. 5.

Наиболее важные процессы в экосистемах имеют множественное обеспечение, то есть к сходному результату может привести деятельность разных видов. Например, в такой важной функции, как разложение мертвого органического вещества, одновременно участвуют многие группы организмов с большим видовым разнообразием (бактерии, грибы, простейшие, круглые и кольчатые черви, членистоногие). Дождевые черви, в большинстве типов почв, играют важнейшую роль в этих процессах. Но на большей части территории Канады дождевые черви отсутствуют. Тем не менее там формируются экосистемы, по внешнему облику и характеру круговоротов похожие на европейские.

Рис. 6.

Биологическое разнообразие видов – необходимое условие для протекания первичных и вторичных сукцессий. Одна из причин торможения сукцессионного процесса, нарушенного человеком, на обширных пространствах – низкое разнообразие видов на прилегающих территориях, отсутствие семян нужных растений, животных (опылителей, разлагателей и т.д.). Устойчивость природы, таким образом, основана на вполне определенных законах, положениях и динамике природных систем.

Запаздывание регуляторного воздействия в природе

У некоторых видов при массовом размножении в природных сообществах происходят вспышки численности. Обычно плотность популяции сдерживается многочисленными потребителями, но после суровых зим или жаркого лета часть врагов погибает, что и дает мощный толчок к быстрому размножению особей вида. Например, у бабочек сибирского шелкопряда в тайге, в южных лесах, не менее 60 потрошителей. Особенно активно сдерживают рост их численности мелкие перепончатокрылые – яйцееды, личинки которых, развиваясь в яйцах шелкопряда, особенно чувствительны к сильным морозам и в массе погибают. Яйца шелкопряда выживают, и начинается резкий рост численности вида до ее восстановления. Гусеницы шелкопряда успевают уничтожить большие массивы хвойных пород, а затем вышедшие из куколок бабочки разлетаются в новые места, где снова попадают под действие большого комплекса паразитов и хищников.

Рис. 7.

Замена видов без ущерба для экосистем

Отдельные виды могут быть заменены их конкурентами без ущерба для общего состояния экосистемы. Выпадение из сообщества каких-либо видов тоже может пройти почти бесследно, если это не касается остальных средообразователей. Так как экологические ниши близких по требованиям видов могут частично перекрываться, исчезновение одного из них оказывается не опасным для биогеоценоза. Его функции могут принять на себя сразу несколько видов. Но это возможно, если в экосистеме  представлено большое видовое разнообразие.

 

Вопросы:

1. От каких внутренних и внешних факторов зависит устойчивость экосистем?

2. Опишите взаимодействие популяций «хищник – жертва» в плане численности особей.

3. Для чего необходимо биоразнообразие видов в экосистеме?

4. Может ли вид исчезнуть без ущерба экосистеме?

 

Ссылки на литературу

1. Мамонтов С.Г., Захаров В.Б., Агафонова И.Б., Сонин Н.И. Биология. Общие закономерности. – М.: Дрофа, 2009.

2. Пасечник В.В., Каменский А.А., Криксунов Е.А. Биология. Введение в общую биологию и экологию: Учебник для 9 класса. 3-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2002.

3. Пономарева И.Н., Корнилова О.А., Чернова Н.М. Основы общей биологии. 9 класс: Учебник для учащихся 9 класса общеобразовательных учреждений / Под ред. проф. И.Н. Пономаревой. – 2-е изд., перераб. – М.: Вентана-Граф, 2005.