Все вещества на нашей планете находятся в процессе биохимического круговорота. Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический). Геологический круговорот длится миллионы лет и происходит между сушей, атмосферой и океаном. При этом часть химических соединений растворяется в воде, переходит в воздух или потребляется организмами. В результате медленных геотектонических изменений материки опускаются, а морское дно поднимается, морские напластования возвращаются на сушу, и процесс начинается вновь.
Малый круговорот является частью большого, происходит на уровне конкретной экологической системы (лес, тундра, болото и т. д.) и заключается в том, что минеральные питательные вещества почвы и воды под действием солнечной энергии аккумулируются в растениях, расходуясь на создание их массы, обеспечивая существование других биотических компонентов.
1.2. ОБШИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭКОСИСТЕМЕ
Живые и неживые компоненты в разных сочетаниях образуют экосистемы, представляющие собой участки земли, где все живые существа приспособлены к совместному существованию — биогеоценозу.
Экосистемы удивительным образом различаются в разных частях планеты. Но хотя тропический влажный лес или коралловый риф имеют как будто мало общего с холодной тундрой или открытым морем, жизнеспособность всех экосистем основывается на четырех общих принципах: 1) каждая экосистема способна поглощать энергию и направлять ее своим обитателям; 2) в каждой экосистеме происходит круговорот питательных веществ; 3) в каждой экосистеме устанавливается и сохраняется динамическое равновесие; 4) поток энергии и веществ зависит от характеристики организмов, от уникальной роли каждого из них.
В любой экосистеме обязательно существует поток- энергии, заключающийся в том, что солнечная энергия сначала поглощается растениями, затем переходит от растений к травоядным животным, от травоядных к плотоядным животным и т. д. Все экосистемы имеют особые пути, по которым осуществляются поток и распределение веществ. В частности, в биосфере постоянно происходит циркуляция воды. Вода и тепло с различных источников (живых и неживых) достигают атмосферы в результате испарения. Когда водяной пар движется вместе с ветром, теряя тепло и конденсируясь, образуются аэрозоли или другие, конденсационные центры. Позднее пар выпадает в виде дождя, снега и града или вновь конденсируется на более холодной поверхности в виде росы или инея.
Третий основной компонент экосистемы — изменяющаяся совокупность генотипов, которые организуют материю, используя имеющуюся энергию. Распространение этих генотипов, а иначе говоря, видов растений и животных, и вместе с ними перемещение различных веществ в пространстве и во времени обычно происходят в определенном порядке.
Растения поглощают около 1—5% энергии, достигшей поверхности земли, и фиксируют ее в процессе фотосинтеза для образования Сахаров и других углеводов. Эти растения, называемые продуцентами (производителями), используют часть фиксированной энергии для дыхания, поскольку они должны восстанавливать и увеличивать свою клеточную массу. Все травоядные и плотоядные животные — потребители — зависят от фиксированной энергии, которая идет на удовлетворение их собственных энергетических потребностей и на образование сырьевого материала для других потребителей, в частности для человека. Это относится и к организмам — разрушителям (микроорганизмам), которые разлагают мертвые ткани и освобождают питательные вещества в такой форме, чтобы продуценты опять могли их использовать. Каждая экосистема имеет своих продуцентов, потребителей и разрушителей.
Кроме того, все системы определенным образом изменяются до тех пор, пока не достигнут состояния динамического равновесия под влиянием условий среды.
Экосистемы имеют высокоорганизованную структуру взаимодействия между своими компонентами, причем рискованным для динамического равновесия экосистемы может оказаться как удаление того или иного организма, так и введение нового вида.
С годами экосистемы изменяются, изменяется их абиотическая среда, численность и виды организмов, живущих в экосистеме, пути и эффективность передачи энергии и веществ, и, если не возникает каких-либо катастрофических условий, стабильность экосистемы увеличивается. Можно предположить существование примитивных экосистем в прошлом, которые эволюционировали в более сложные, биологически более разнообразные и физически более устойчивые современные экосистемы. Какими бы характеристиками ни обладали экосистемы, все они эволюционируют в направлении более высокой стабильности, т. е. к динамическому равновесию, при котором обеспечиваются потребности всех видов в пище, убежище, удалении отходов, регуляция численности популяций и уровня заболеваемости.
Процесс изменения экосистем называют сукцессией. Первичная сукцессия начинается в бесплодной среде, которая никогда до этого не была обитаемой. Вторичная сукцессия происходит на территории, которая была ранее заселена, но оказалась разрушенной под действием естественных сил: огня, шторма и климатического сдвига, или в результате искусственного вмешательства — обработки земли, распашки и т. д. В обоих случаях образуется простое сообщество первых организмов, которые постепенно создают условия, благоприятные для обеспечения все большего разнообразия организмов, населяющих экосистему. Сообщество, состоящее из популяций растений и животных, живущих на одной и той же территории, становится все более сложным, пока не будет достигнуто равновесие с физической средой. Такое сообщество называют климаксовым, и до тех пор, пока оно не будет нарушено, оно само поддерживает свою стабильность, будь это тропический, березово-осиновый лес или северная тундра.
На протяжении столетий климаксовые сообщества прогрессировали, разрушались, исчезали и вновь появлялись в зависимости от изменения климата. Если указанные процессы происходят без вмешательства человека, то их последовательность предсказуема, так как базируется на известных принципах, приведенных ранее.
Известно, что экосистемы становились разнообразнее и накапливали химические элементы по мере эволюции наземных растений от мха до пышных лесов. Слой почвы утолщался по мере того, как у растений развивались настоящие корни (отсутствующие у самых ранних наземных растений). Увеличивалась взаимозависимость видов, например, насекомых и цветковых растений, муравьев и тли.
1.3. ВЛИЯНИЕ ЧЕЛОВЕКА НА БИОСФЕРУ
В 60-х годах XX в. в Египте вблизи города Асуана была построена высокая плотина через реку Нил. Это огромное сооружение привело к появлению одного из самых крупных искусственных озер в мире. Вода вращает гигантские турбины, которые производят миллионы киловатт электроэнергии ежегодно, и орошает 3000 га земли. Там, где раньше собирали только один урожай в год, стало возможным выращивать три и даже четыре урожая ежегодно. Плотина регулирует также значительные сезонные колебания уровня воды Нила, Увеличена навигация, промышленность получает электроэнергию, а само озеро послужило источником лова пресноводных рыб. Это положительные последствия, связанные с постройкой плотины. Но имеются и отрицательные последствия, которым не было уделено достаточного внимания.
Одно из таких последствий — значительное уменьшение улова сардин в водах дельты Нила. Как известно, во время ежегодного разлива Нила в высокогорных районах Эфиопии в его пойме собираются тысячи тонн богатых веществами илистых наносов, которые до строительства плотины уносились по реке в море. Эта вода не только обогащала питательными веществами берега Нила, но также и близлежащие воды Средиземного моря. Мелкие плавающие растения моря быстро росли, затем использовались в пищу беспозвоночными животными, которые, в свою очередь, становились добычей сардин. Однако с завершением строительства плотины плодородные осадки перестали достигать Средиземного моря, и поэтому популяция сардин начала сокращаться. Это сокращение составляет приблизительно 18 000 т ежегодно и дает убыток в 5 млн. долларов.
Отсутствие богатых питательными веществами осадков сказывается также на плодородии полей нижней части долины Нила. Увеличилось применение синтетических удобрений (азота), что, естественно, повлекло за собой определенные расходы и частично компенсировало эту потерю, но промышленные удобрения сами по себе не в состоянии поддерживать высокий уровень азота в почве.
Таким образом, строительство плотины оказалось серьезным, дорогим и драматичным экспериментом, нарушившим равновесие экосистемы Нила в результате недальновидного вмешательства человека. Возникает вопрос: вносят ли люди, как другие организмы, вклад в увеличение продуктивности и стабильности биосферы или же они нарушают равновесие в результате своего вмешательства?
Человек несет ответственность за нарушение экосистемы, потому что уменьшает ее способность поддерживать популяцию человека без внесения какого-либо дополнительного вклада, часто очень дорогого. Необходимо сводить к минимуму вред, наносимый экосистеме, учиться такому важному и часто дорогостоящему делу, как восстановление разрушенных или исчезнувших экосистем.