Назначение и роль биосферы

Пищевые цепи (сети) и трофические уровни. Основой любой экосистемы, ее фундаментом являются пищевые (трофические) и сопутствующие им энергетические связи. В них постоянно происходит перенос Вещества и энергии, которые заключены в пище, созданной преимущественно растениями.  

Перенос потенциальной  энергии пищи, созданной растениями, через ряд организмов путем поедания одних видов другими называется цепью питания или пищевой  цепью, а каждое ее звено —трофическим уровнем (рис. 14.6).  

Рис. 14.6. Цепи питания  африканской саванне.  

Первый трофический  уровень образуют продуценты (растения), второй — первичные консументы (растительноядные животные), третий — вторичные консументы (плотоядные животные и паразиты). Поскольку  каждый организм имеет несколько  источников питания и сам является объектом питания для других организмов из одной и той же пищевой цепи или даже из разных (всеядные организмы, например человек, медведь, воробей, потребляют как продуцентов, так и консументов, т. е. живут на разных трофических уровнях), цепи питания многократно разветвляются и переплетаются в сложные пищевые сети (рис. 14.7).

Рис. 14.7. Сети питания  в экологической системе.  

Существуют два  основных типа пищевых цепей —  пастбищные (цепи выедания, или цепи потребления) и детритные (цепи разложения). Пастбищные цепи начинаются с продуцентов: клевер —>кролик —> волк; фитопланктон (водоросли) —> зоопланктон (простейшие) —>плотва —> щука —> скопа.  

Детритные цепи начинаются от растительных и животных остатков, экскрементов животных —  детрита; идут к микроорганизмам, которые ими питаются, а затем к мелким животным (детритофагам) и к их потребителям — хищникам. Детритные цепи наиболее распространены в лесах, где большая часть (более 90%) ежегодного прироста биомассы растений не потребляется непосредственно растительноядными животными, а отмирает, подвергаясь разложению (сапротрофными организмами) и минерализации. Типичным примером детритной пищевой связи наших лесов является следующий: листовая подстилка —> дождевой червь —> черный дрозд—> ястреб-перепелятник. Кроме дождевых червей, детритофагами являются мокрицы, клеши, ногохвостки, нематоды и др.  

Экологические пирамиды. Пищевые сети внутри каждого  биогеоценоза имеют хорошо выраженную структуру. Она характеризуется  количеством, размером и общей массой организмов — биомассой — на каждом уровне цепи питания. Для пастбищных пищевых цепей характерно увеличение плотности популяций, скорости размножения и продуктивности их биомасс. Снижение биомассы при переходе с одного пищевого уровня на другой обусловлено тем, что далеко не вся пища ассимилируется консументами. Так, например, у гусеницы, питающейся листьями, в кишечнике всасывается только половина растительного материала, остальное выделяется в виде экскрементов. Кроме того, большая часть питательных веществ, всасываемых кишечником, расходуется на дыхание и лишь 10—15% в конечном счете используется на построение новых клеток и тканей гусеницы. По этой причине продукция организмов каждого последующего трофического уровня всегда меньше (в среднем в 10 раз) продукции предыдущего, т. е. масса каждого последующего звена в цепи питания прогрессивно уменьшается. Эта закономерность получила название правило экологической пирамиды (рис. 14.8).  

Рис, 14.8. Упрощенная экологическая пирамида.  

Различают три  способа составления экологических  пирамид:  

1. Пирамида численностей  отражает численное соотношение  особей разных трофических уровней экосистемы. Если организмы в пределах одного или разных трофических уровней сильно различаются между собой по размерам, то пирамида численностей дает искаженные представления об истинныхсоотношениях трофических уровней. Например, в сообществе планктона численность продуцентов в десятки и сотни раз больше численности консументов, а в лесу сотни тысяч консумен-тов могут питаться органами одного дерева — продуцента.  

2.   Пирамида  биомасс показывает количество  живого вещества, или биомассы, на каждом трофическом уровне. В большинстве наземных экосистем биомасса продуцентов, т. е. суммарная масса растений наибольшая, а биомасса организмов каждого последующего трофического уровня меньше предыдущего. Однако в некоторых сообществах биомасса консументов I порядка бывает больше биомассы продуцентов. Например, в океанах, где основными продуцентами являются одноклеточные водоросли с высокой скоростью размножения, их годовая продукция в десятки и даже сотни раз может превышать запас биомассы. Вместе с тем, вся образованная водорослями продукция так быстро вовлекается в цепи питания, что накопление биомассы водорослей мало, но вследствие высоких темпов размножения небольшой их запас оказывается достаточным для поддержания скорости воссоздания органического вещества. В связи с этим в океане пирамида биомасс имеет обратное соотношение, т. е. «перевернута». На высших трофических уровнях преобладает тенденция к накоплению биомассы, так как длительность жизни хищников велика, скорость оборота их генераций, наоборот, мала, и в их теле задерживается значительная часть вещества, поступающего по цепям питания.  

3.   Пирамида  энергии отражает величину потока  энергии в цепи питания. На  форму этой пирамиды не влияют  размеры особей, и она всегда  будет иметь треугольную форму с широким основанием внизу, как это диктуется вторым законом термодинамики. Поэтому пирамида энергии дает наиболее полное и точное представление о функциональной организации сообщества, о всех обменных процессах в экосистеме. Если пирамиды чисел и биомасс отражают статику экосистемы (количество и биомассу организмов в данный момент), то пирамида энергии —динамику прохождения массы пищи через цепи питания. Таким образом, основание в пирамидах чисел и биомасс может быть больше или меньше, чем последующие трофические уровни (в зависимости от соотношения продуцентов и консументов в различных экосистемах). Пирамида энергии всегда суживается кверху. Это обусловлено тем, что энергия, затраченная на дыхание, не передается на следующий трофический уровень и уходит из экосистемы. Поэтому каждый последующий уровень всегда будет меньше предыдущего. В наземных экосистемах уменьшение количества доступной энергии обычно сопровождается снижением численности и биомассы особей на каждом трофическом уровне. Вследствие таких больших потерь энергии на построение новых тканей и дыхание организмов цепи питания не могут быть длинными; обычно они состоят из 3—5 звеньев (трофических уровней).  

Знание законов  продуктивности экосистем, возможность  количественного учета потока энергии имеют важное практическое значение, поскольку продукция природных и искусственных сообществ (агроиенозов) является основным источником запасов пищи для человечества. Точные расчеты потока энергии и масштабов продуктивности экосистем позволяют регулировать в них круговорот веществ таким образом, чтобы добиваться наибольшего выхода необходимой для человека продукции. 
 
 

ЗАКОН ЛИНДЕМАНА , правило 10%, принцип Линдемана, термодинамическая интерпретация циркуляции потока энергии через трофические уровни в экосистеме. Закон, открытый Линдеманом (1942), согласно к-рому только часть (10%) энергии, поступившей на определенный трофич. уровень биоценоза, передается организмам, находящимся на более высоких трофич. уровнях. Напр., количество энергии, к-рая доходит до третичных плотоядных (трофический уровень V), составляет около 10-4 энергии, поглощенной продуцентами. Это объясняет ограниченное количество (5 — 6) звеньев (уровней) в пищевой цепи независимо от рассматриваемого биоценоза. 
 
 

 Биосфера в период научно-технического прогресса 

     Влияние человека на биосферу. С появлением первого современного человека (около 30—40 тыс. лет назад) в эволюции биосферы стал действовать новый фактор —  антропический. Получая из природной  среды все жизненные ресурсы (воду, воздух, пищу, энергию, строительные материалы и др.), человек возвращает в биосферу бытовые и промышленные отходы, большая часть которых не в состоянии включиться в биологический круговорот из-за их чужеродности или токсичности. Происходит быстрое истощение природных ресурсов, вымирание многих видов живых организмов, загрязнение и отравление среды ядохимикатами и радионуклидами, разрушение естественных экосистем (лесов, лугов, озер, рек, болот).  

     Причина конфликта человека с природной  средой заключается в том, что человек является одновременно и биологическим, и социальным существом. Его социальные потребности значительно выше биологических. Практическая деятельность человека не зависит от полного понимания им мироустройства. Человек чаще всего действует методом проб и ошибок. Последних он совершает слишком много, Создав разнообразные мощные технические средства, он заменил природную среду искусственной. Поселившись в ней, человек сделал себя не зависимым от ее превратностей.  

     Особенно  сильным стало воздействие хозяйственной деятельности человека на природную среду во второй половине XX столетия. Природа планеты неузнаваемо оскудела, ее повсеместно вытесняет чудовищная урбанизация, естественные ресурсы буквально на глазах одного-двух поколений людей истощаются. Происходит деградация почв, теряющих естественное плодородие, возрастает их загрязнение нефтепродуктами, пестицидами, тяжелыми металлами. Страдает и сам человек. Среда его обитания в большинстве регионов мира, особенно в городах и промышленных центрах, становится все более вредной для здоровья. По оценке специалистов, не менее 50% распространенных заболеваний обусловлено загрязнением окружающей природной среды, прежде всего потреблением недоброкачественной питьевой воды, пищи, отравленным воздухом.  

     Рациональное  использование природных ресурсов и охрана биосферы. Охрана природы  — это комплексная система  мероприятий, направленных на сохранение, рациональное использование и воспроизводство  природных систем и ресурсов Земли  в интересах существующих и будущих поколений людей. Главная цель рационального использования природных ресурсов — сбережение видового разнообразия (генофонда) флоры и фауны планеты, ее недр, водных ресурсов, атмосферного воздуха, естественных экосистем, т. е. сохранение природных условий развития человеческого общества. Система охраны природы действует на основе международного, государственного и местного законодательства.  

     С середины XX в. стала очевидной опасность  истощения природных ресурсов —  как невозобновляемых (нефть, газ, уголь и т. п.), так и возобновляемых (грибы, растения, животные). За период с конца ХVI в. до 70-х гг. XX в. на Земле исчезли 109 видов птиц, 64 вида млекопитающих, 20 видов пресмыкающихся, 3 вида земноводных. В настоящее время, по данным постоянной Комиссии по исчезающим видам растений и животных Международного союза охраны природы и природных ресурсов (МСОП), в среднем ежедневно исчезает один вид (или подвид) животных и еженедельно один вид растений.  

     Процесс обеднения флоры и фауны наиболее заметен при изучении сравнительно небольших территорий. Так, флора Беларуси, насчитывающая теперь около 1750 видов, за последние 100— 150 лет сократилась почти на 100 видов. Исчезло также значительное количество видов животных. Среди них — млекопитающие (среднеевропейский лесной кот, выхухоль), птицы (большой баклан, розовый пеликан, колпица, стрепет), рыбы (белуга, балтийский и русский осетры, лосось). Потеря любого вида живых организмов нарушает слаженное функционирование биогеоценозов, в которых каждый вид занимает свою экологическую нишу и имеет строго определенное функциональное назначение.  

     Известные российские ученые А. Г. Банников и В. В. Флинт (1992) писали: «Каждый вид  обладает неповторимым генофондом, сложившимся  в результате действия естественного  отбора в процессе эволюции. Все виды имеют потенциальную экономическую ценность и для человека, поскольку невозможно предсказать, какие виды могут стать со временем полезными и даже незаменимыми. Возможности использования видов настолько непредсказуемы, что было бы величайшей ошибкой дать вымереть какому-то виду потому, что сегодня мы не знаем его полезности». Вот почему необходимо охранять весь генофонд биосферы, кроме генофонда болезнетворных организмов.  

     Для реализации этой цели разработана система  природоохранных мероприятий, среди которых важнейшими являются следующие:

     разработка  системы длительного наблюдения — мониторинга (в том числе  и биомониторинга), — позволяющей  осуществлять контроль за состоянием параметров окружающей среды, судить о  степени ее ухудшения, источниках загрязнения, а также делать прогнозы о дальнейших тенденциях развития и функционирования экосистем;

     создание  охраняемых территорий (заповедников, заказников, резерватов, национальных парков);

     принятие  законов, обеспечивающих правовую основу природоохранных мероприятий;

     разработка  методов разведения редких и исчезающих видов растений и животных и их переселение (интродукция) на охраняемые территории или новые места обитания;

     просветительская  работа — разъяснение населению, представителям органов власти и общественных организаций идеи о насущной необходимости охраны всего живого, путей и методов решения этой задачи.  

     С целью сохранения генофонда редких и находящихся под угрозой  исчезновения растений, грибов, животных организуются специализированные охраняемые территории (заповедники, заказники, национальные парки), создаются Красные книги международного и национального уровней, принимаются законодательные акты на национальном и межправительственном уровнях, заключаются международные соглашения.  

     Заповедники — особо охраняемые законом территории или акватории, навсегда исключенные  из любой хозяйственной деятельности {в том числе посещения людьми) в целях сохранения в нетронутом виде природных комплексов (эталонов природы), охраны видов живых организмов и слежения за природными процессами. Большинство заповедников учреждено для сохранения и увеличения численности представителей наиболее ценных и исчезающих видов растений и животных, которым в первую очередь грозит исчезновение в результате истребления человеком или разрушения их среды обитания в процессе хозяйственной деятельности.  

     Благодаря заповедникам сохранены многие виды животных (зубр, уссурийский тигр и  др.), восстановлена до промыслового уровня численность бобра, лося, соболя и других ценных охотннчье-промысловых животных.  

     Биосферные  заповедники имеют международное  значение. Они предназначены для  постоянного и всестороннего  наблюдения за состоянием и ходом  разнообразных природных процессов  на неизмененных или слабо измененных типичных участках биосферы.