Биологическое разнообразие

     Введение 

     Биологическое разнообразие представляет собой уникальную особенность живой природы. Именно благодаря ему создается структурно-функциональная организация экологических систем, обеспечивающая их стабильность во времени и устойчивость к изменениям внешней среды, в том числе и в результате антропогенных воздействий.

     На  уровне выше организменного, биоразнообразие определяет существование различных экосистем и ландшафтов. В природе не бывает однородных местообитаний. Виды животных и растений, встречающихся в двух совершенно разных экологических системах, например в черном ольшанике и заболоченном ельнике, могут различаться очень незначительно, однако в разных местообитаниях они образуют совершенно разные связи и формируют различные сообщества, чем достигается еще большее разнообразие на уровне экологических систем. 

     Экологическое разнообразие: окружающая среда в непрерывном  развитии

     Жизнь на Земле демонстрирует широкое разнообразие не только генов и видов. Группа особей одного вида (внутри которой особи могут обмениваться генетической информацией), занимающая определенное пространство и действующая как часть биотического сообщества, образует популяцию. Популяция одного вида взаимодействует с популяциями других видов, и все вместе они образуют то, что ученые называют биотическим сообществом. Биотическое сообщество в свою очередь взаимодействует с физической средой, обеспечивая непрерывный поток веществ; так образуются круговороты питательных веществ, энергию для которых поставляет Солнце. Биотическое сообщество вместе с физической средой его обитания образует экологическую систему. В структуре и функции экосистемы воплощены все виды активности организмов, входящих в данное биотическое сообщество: взаимодействие с физической средой и друг с другом. Однако организмы живут для самих себя, а не для того, чтобы играть какую-либо роль в экосистеме. Свойства экосистемы слагаются благодаря деятельности входящих в нее растений и животных.

     Одно  из основных свойств экосистем - их динамизм. Наблюдение над полем, заброшенным  на несколько лет, показывает, что  его последовательно завоевывают  сначала многолетние травы, затем  кустарники и, наконец, древесная растительность. Упавшее от старости дерево становится ареной жизни для многих видов  жуков, сменяющих друг друга в  зависимости от степени разложения упавшего ствола. Первыми его заселяют виды, питающиеся корой. В результате их деятельности создаются условия для появления видов, живущих под корой на поверхности ствола дерева, что ускоряет процесс разложения древесины и появление видов, обитающих внутри разлагающегося ствола. В окончательно сгнившей древесине поселяются виды, отсутствовавшие на более ранних этапах. Каждый последующий этап заселения ствола длится дольше, чем предыдущий, и характеризуется более полным использованием разлагающейся древесины. Лишь в отдельные промежутки времени удается зарегистрировать представителей обоих сменяющих друг друга сообществ. Благодаря их совместной деятельности за 100-150 лет древесина упавшего ствола оказывается полностью утилизированной. 

     Более продуктивная среда способна обеспечить совместное существование большего числа видов

     Существенное влияние на увеличение числа видов в сообществе оказывает продуктивность среды. В тех местообитаниях, где пищи мало, животные не могут игнорировать различные типы жертвы; там же, где ее много, они могут быть более прихотливыми и имеют возможность ограничить свой рацион только наилучшими пищевыми объектами. Следовательно, в более продуктивных местообитаниях, то есть там, где «плотность пищи» высока, выбор шире и поэтому возможность для специализации больше, чем в менее продуктивных средах. Поскольку каждый вид использует только часть общего количества ресурсов, одинаковый диапазон доступных ресурсов в более продуктивной среде дает возможность существовать большему числу видов.

     В приведенном примере все сегменты под кривыми имеют приблизительно одинаковую площадь (равную произведению количества ресурсов на его диапазон). В непродуктивной среде отдельные  виды должны иметь широкие ниши, и поэтому вместе может существовать только три вида, тогда как в  более продуктивной среде число  видов возрастает до пяти. Это возможно еще и потому, что в низкопродуктивных  местообитаниях количество некоторых  ресурсов не обеспечивает существования  вида, а в продуктивных их хватает  для успешного его существования. Например, в пустыне, где на одном  гектаре отмечено лишь одно муравьиное гнездо, вряд ли будет жить популяция  ящериц, специализированных на питании  одними муравьями; вместе с тем в  другой, более богатой местности, где на одном гектаре насчитывается  несколько муравьиных гнезд, такая  популяция ящериц может успешно  существовать.

     Корреляция  между видовым богатством и продуктивностью  сообщества наглядно видна на примере  зависимости числа видов семеноядных  муравьев от уровня атмосферных осадков  в пустынях юго-запада США. В этих аридных областях продукция семян  растет параллельно с увеличением  количества осадков. В свою очередь, в местах с наибольшим количеством  осадков среди муравьев много  крупных (потребляющих крупные семена) и очень много мелких (питающихся мелкими семенами) видов. По-видимому, в более продуктивных сообществах  либо шире размерный диапазон семян, либо их так много, что могут прокормиться дополнительные виды муравьев.

     Лимитирующие  факторы и биоразнообразие

     Основополагающие биологические процессы - общие для всех без исключения живых организмов. Эти процессы достигают наибольшей эффективности при оптимальных значениях температуры, освещенности и т.п. Чем сильнее эти условия отклоняются от оптимума, тем менее успешно организмы приспосабливаются к окружающей среде. Именно этим объясняется тот факт, что в регионах с менее благоприятными условиями среды встречается меньшее число видов. Кроме того, в разных участках биосферы биоразнообразие лимитируется разными факторами. В пустыне жизнь ограничена недостаточным количеством воды. В открытом океане лимитирующим веществом часто служит железо, обычно присутствующее здесь в форме труднодоступной для организмов гидроокиси. В иных средах, например в почвах влажных районов, в озерах, окраинных морях, лимитирующим фактором чаще всего служит фосфор.

     К числу наиболее важных лимитирующих факторов суши относятся температура  и влажность. В зависимости от сочетания среднегодовой температуры  и нормы осадков на суше выделяются сообщества, характерные для обширных климатических зон и называемые биомами. В зоне влажных тропиков, где круглый год тепло и много влаги, создаются благоприятные условия для развития самых богатых наземных сообществ - сообществ дождевого тропического леса. В случае ярко выраженной сезонности выпадения осадков развиваются сезонные тропические леса. Биом лесов умеренной зоны развивается в условиях умеренной влажности и температуры и тянется от сообществ смешанных хвойно-мелколиственных лесов до сообществ вечнозеленых широколиственных пород. В более засушливой части тропической и умеренной зон располагаются травяные сообщества: степи и саванны. Здесь создаются условия для периодических пожаров, которые уничтожают надземную часть многолетних травянистых растений, оставляя в неприкосновенности их обширную корневую систему. Дальнейшее уменьшение нормы осадков при высоких и умеренных среднегодовых температурах приводит к развитию пустынь. Чапарраль свойствен областям со средиземноморским климатом - мягким, с сырой зимой и засушливым летом. Сообщества чапарраля занимают обширные пространства в Средиземноморье и на западном побережье Северной Америки. При низких температурах развиваются тундровые сообщества. Влажная тундра переполнена водой, но, поскольку на протяжении большей части года эта вода остается замерзшей, она недоступна растениям. 
 

     Как изменяется биоразнообразие. Ненарушенное развитие

     Подобно тому как относительное обилие видов неодинаково в разных точках пространства, соотношение их численности во времени также может меняться. Любое биотическое сообщество со временем преобразуется. Его развитие, называемое также экологической сукцессией, проходит ряд этапов, при этом биотические сообщества сменяют друг друга. Замещение видов в сукцессии вызвано тем, что популяции, стремясь модифицировать окружающую среду, создают условия, благоприятные для других популяций.

     После вырубки ельника или пожара условия  на его месте настолько изменяются, что ель не может снова заселить эту же площадь. На открытых местах всходы ели повреждаются поздними весенними  заморозками, страдают от перегрева  и не могут конкурировать со светолюбивыми  растениями. В первые два года на вырубках и гарях буйно развиваются  травянистые растения: кипрей, вейник и др. Вскоре появляются многочисленные всходы березы и осины. Деревья вытесняют травянистую растительность и постепенно образуют мелколиственный лес. Только тогда возникают условия, благоприятные для возобновления ели. Теневыносливые всходы ели успешно конкурируют с подростом светолюбивых пород. Когда ель достигает верхнего яруса, она полностью вытесняет лиственные деревья. В принципе так же протекает сукцессия кедрово-пихтовой тайги. Здесь цифры показывают длительность фаз сукцессии (в скобках указан срок их окончания).

     В процессе развития сообщества возрастает общая биомасса, тогда как максимум продуктивности, то есть максимум годового прироста биомассы, приходится на одну из промежуточных фаз сукцессии. Обычно в процессе развития число  видов возрастает, так как с  увеличением растительного многообразия появляются ниши для все большего числа видов насекомых и других животных. Однако так называемое климаксное сообщество, которое образуется на заключительной стадии развития, уступает по видовому богатству сообществам более ранних стадий. В климаксных сообществах более важными оказываются иные факторы, чем те, которые ведут к видовому разнообразию. К числу таких факторов относится увеличение размеров организмов, что позволяет им запасать питательные вещества или воду, чтобы выжить в периоды, когда их недостает. Этот и другие факторы ведут к усилению конкуренции между видами и сокращению их числа в климаксном сообществе. 
 

     Нарушения в сообществах  и их разнообразие

     Согласно  «Оксфордскому словарю английского  языка», нарушение (disturbance) - это «прерывание спокойствия, мира, покоя или сложившегося хода вещей; препятствие правильному осуществлению какого-либо действия или процесса». Следовательно, нарушение - событие необычайное с точки зрения нормы и с ней несовместимое. В то же время ряд событий и изменений в среде обитания представляет собой нормальное свойство любой среды. Чередование дня и ночи, систематическое воздействие прилива и отлива на скалистое побережье, падение деревьев в лесу - все это регулярно повторяющиеся и ожидаемые явления, с которыми сталкиваются популяции организмов в сообществе. Тем не менее, для отдельной креветки, занесенной приливом в лужу на скале, или для травянистого растения нижнего лесного яруса подобные повседневно происходящие в среде изменения могут оказаться роковыми.

     Нарушения среды обитания различаются по силе и периодичности. Иногда полезно  различать бедствия (disaster) и катастрофы (catastrophe). Первые происходят в жизни биотического сообщества достаточно часто, чтобы вызывать эволюционные изменения. В результате бедствий популяция может приобрести новые свойства и, когда аналогичная ситуация повторяется, отреагировать на нее уже иначе или даже вообще не пострадать. Например, после объедания майским жуком листвы деревьев у них повторно распускаются почки. Такое регулярно повторяющееся «бедствие», как сенокос, приводит к существенному изменению структуры и свойств луговых сообществ. Приспособление луговых растений к периодам сенокошения проявляется в изменении сроков вегетации и цветения, как, например, у едкого лютика, часть растений которого зацветает уже после окончания сенокошения, а одуванчик успевает отцвести до него. Безвременник цветет осенью после сенокошения, а обычное растение газонов - многолетняя маргаритка приспособилась к частым покосам благодаря уменьшению длины цветоноса.

     Мелкие  нарушения приводят к мозаичности  местообитаний. Если они происходят разновременно, не в одной фазе, то сообщество будет состоять из отдельных  участков, находящихся на разных стадиях  сукцессии. Такая мозаичность растительности, формирующаяся на фоне климаксного  состояния как результат разновременных нарушений, сочетается с более высоким  уровнем видового разнообразия, чем  в случае обширной, долго не нарушавшейся территории. 
 
 

     Разрушение  естественных местообитаний

     Сокращение  биоразнообразия обычно начинается с разрушения естественного местообитания видов. Развитие новых технологий и разрушение окружающей среды в результате деятельности человека идет со скоростью, значительно превышающей способности видов приспособиться к новым условиям. Исключение составляют немногие виды животных и растений, которые мы называем сорными и с которыми не желаем делить будущее планеты. Вероятно, такие насекомые и сорняки обладают диапазоном наследственной изменчивости, позволяющим адаптироваться к быстрым изменениям среды, наступающим в результате ее нарушения, но большинство более крупных растений и животных к этому неспособны.

     Вмешательство человека часто приводит к снижению разнообразия природных условий. Например, уничтожая различные виды древесных  пород в смешанных лесах с  целью создания предпочтительных условий  для произрастания сосны, используемой в целлюлозной промышленности, человек  неизбежно уменьшает число экологических  ниш. В результате в образовавшихся чистых сосновых лесах видовое разнообразие животных и растений существенно  уменьшается по сравнению с исходным сообществом смешанного леса.

     Разрушение  естественного местообитания часто  начинается с его фрагментации на отдельные изолированные участки. Весной петухи глухаря собираются на ток. Площадь участка леса, необходимого для тока, должна быть не менее 5-8 гектаров. Сокращение участков леса, пригодных для токования, неизбежно приводит к падению численности этого вида.

     Изменение любого природного фактора в результате деятельности человека неизбежно приводит к нарушению равновесия экосистемы, следствием чего часто становится ее разрушение и утрата природного местообитания. Биогены, поступающие со стоками животноводческой фермы, стимулируют рост фитопланктона в реке; последний затеняет бентосную растительность и лишает рыб и других водных животных убежища, пищи и растворенного в воде кислорода. Постепенно река заполняется биогенами, которые покрывают все дно, и со временем некогда живописная речка под влиянием стоков животноводческого комплекса превращается в топкое и зловонное болото, густо поросшее ярко-зеленой рудеральной растительностью.