Саморегуляция и самоочищение экосистем: как природа поддерживает сама себя

Как природа поддерживает сама себя

Любое природное сообщество устроено так, что способно держать внутреннее равновесие без всякого внешнего управления. Никто не считает поголовье хищников и не дозирует разложение опавшей листвы — система делает это сама, опираясь на связи между организмами и средой. Именно поэтому лес, озеро или степь годами сохраняют узнаваемый облик, восстанавливаясь после колебаний и нагрузок. Чтобы понять, как работают эти внутренние механизмы, разберём ключевые свойства экосистем, их устройство по рангам, а затем подробно остановимся на двух связанных явлениях — саморегуляции и самоочищении.

Что отличает экосистему как целостную систему

Экосистему делает системой не простой набор организмов, а её способность функционировать как единое целое. Три качества здесь главные: умение прокручивать круговорот веществ, выдерживать давление извне и создавать биологическую продукцию. Без первого из них существование сообщества вообще невозможно — стоит исчезнуть организмам, замыкающим круговорот, и система распадается.

Поверх этой основы выстраивается ряд свойств, которые удобно рассматривать попарно, по их роли. Устойчивость и целостность отвечают за сохранность структуры: экосистема сопротивляется внешним толчкам и ведёт себя как связное единство, а не как сумма разрозненных частей. Саморегуляция и самовоспроизведение обеспечивают её непрерывность во времени — сообщество самостоятельно управляет внутренними процессами и восстанавливает численность своих обитателей. Наконец, смена одних сообществ другими придаёт системе динамику, а эмерджентные свойства показывают, что у целого появляются качества, которых нет ни у одного отдельного вида. Все эти черты работают сообща, и выдернуть из них что-то одно, не задев остальные, не получится.

Иерархия экосистем: от лужи до биосферы

Природные системы различаются по охвату, и их принято располагать по рангам. На нижней ступени стоят микроэкосистемы — скажем, небольшой водоём. Жизнь в нём теплится ровно до тех пор, пока сохраняются организмы, способные поддерживать круговорот веществ. Ступенью выше идут мезоэкосистемы, и удачным примером служит река. Ещё крупнее — макроэкосистемы, такие как океан. Венчает эту лестницу биосфера, глобальная экосистема планеты.

Устроена иерархия по принципу вложенности: чем масштабнее система, тем больше систем меньшего ранга она вмещает. Сама же экосистема, или биогеоценоз, обычно складывается из двух связанных блоков. Первый — биоценоз — объединяет организмы разных видов, сцепленные между собой. Второй — биотоп (его называют и экотопом) — представляет собой среду их обитания. При этом каждый вид внутри биоценоза присутствует не одиночными особями, а популяциями либо их частями.

Популяции и сообщества как кирпичики экосистемы

Рядом с этим понятием в экологии часто звучит слово «сообщество», и значение у него подвижное. Чаще всего так называют совокупность взаимосвязанных организмов самых разных видов, живущих вместе. Но термин применяют и к более узким объединениям, выделяя их по составу:

• фитоценоз — сообщество, образованное одними растениями;
• микробоценоз — совокупность микроорганизмов;
• аналогичным образом обособляют и группировки животных.

Именно популяции, сцепленные в такие сообщества, и становятся теми элементами, из взаимодействия которых вырастают саморегуляция и устойчивость всей системы.

Саморегуляция: как сообщество управляет само собой

Суть в том, что группы организмов, тесно связанные и друг с другом, и с факторами среды, влияют на состояние всей структуры. Сама их жизнедеятельность задаёт уровень устойчивости и поддерживает равновесие.

Проще всего это увидеть на паре «хищник — жертва». Представим, что хищник кормится определённым видом травоядных. Он будет сокращать их поголовье лишь до известного предела. Как только численность жертвы падает, добывать её становится невыгодно, и хищник переключается на другой источник пищи — иной вид травоядных. В итоге первый вид не вычёркивается полностью: он получает передышку и постепенно восстанавливает прежнюю численность.

Отсюда важный вывод: внутри здоровой экосистемы один вид не может извести другой под корень одним лишь поеданием. Растения, животные, грибы и микроорганизмы взаимно сдерживают друг друга, даже когда служат друг другу пищей. В этом взаимном контроле и заключается саморегуляция.

Самоочищение: природная переработка загрязнителей

Разворачивается он по нескольким направлениям сразу. Вещества-ксенобиотики переносятся в почвы и водоёмы, расходятся по трофическим цепям и в конце концов минерализуются — эту завершающую работу выполняют редуценты, организмы-разрушители. Насколько успешно идёт очистка, в первую очередь определяет буферная ёмкость экосистемы, то есть её запас прочности перед загрязнением.

Скорость процесса зависит и от внешних условий. Ускоряют его высокая активная температура, ультрафиолетовое излучение, обилие солнечной радиации и присутствие окислителей. Поэтому самоочищение заметно различается по широтам и сезонам:

• в южных широтах среда восстанавливается ощутимо быстрее, чем в северных;
• летом переработка загрязнителей идёт живее, чем зимой.

Почему природный фильтр перестал справляться

Долгое время самоочищение полностью гасило естественное загрязнение. В доиндустриальные эпохи становления биосферы природа уравновешивала любые поступающие вещества своими силами — баланс держался сам собой.

Развитие науки и промышленности этот баланс подорвало. В среде стали накапливаться ксенобиотики в невиданных прежде объёмах, и они губительно действуют на сами организмы-детоксикаторы — редуцентов-нейтрализаторов. Получился замкнутый круг: загрязнения растут, а тот биологический механизм, что должен их обезвреживать, слабеет. В результате буферная ёмкость экосистем и биосферы в целом резко снизилась.

Из этого вытекает практическая задача. Сегодня недостаточно просто фиксировать выбросы — необходимо чёткое экологическое прогнозирование уровня загрязнения, причём с поправкой на остаточную способность среды к самоочищению. А чтобы защитить биосферу и её компоненты, выстраивают целый комплекс мер: правовых, организационных и технологических. По сути, человек берёт на себя ту страховочную роль, которую прежде природа исполняла самостоятельно.