Гомеостаз и сукцессия в развитии природных и антропогенных экосистем

Естественные экологические системы (леса, степи, водоемы) существуют в течение десятков, сотен и более лет, т.е. обладают определенной стабильностью во времени и пространстве. Для поддержания стабильности системы необходима сбалансированность потоков вещества и энергии, процессов обмена веществ между организмами и окружающей их средой. Конечно, ни одна экосистема не бывает абсолютно стабильной, неподвижной. Может периодически увеличиваться численность популяций одних видов животных и растений, но при этом уменьшается численность других. Подобные процессы имеют более или менее правильную периодичность и в целом не выводят систему из равновесия.

Состояние подвижно-стабильного равновесия экосистемы носит название гомеостаза гомео тот же стазис состояние). Гомеостатичность - важнейшее условие существования любой экологической системы, однако в разных сообществах его признаки и закономерности неодинаковы.

Например, в естественной экосистеме гомеостаз поддерживается тем, что такая система открыта, т.е. непрерывно получает информацию из окружающей среды: к растениям непрерывно поступает солнечная энергия, масса химических веществ.

Иное дело - антропогенная экологическая система, она не может рассматриваться как открытая. Например, система для очистки сточных вод - аэротенк. При поступлении в аэротенк вещества, содержащиеся в сточных водах, сорбируются поверхностью активного ила, т.е. хлопьевидными скоплениями бактерий, простейших, коловраток и др. При непрерывном поступлении сточных вод содержащиеся в них вещества накапливаются в аэротенке, а концентрация активного ила снижается. В конечном итоге равновесное состояние такой экосистемы нарушается, качество очистки снижается, система может перестать работать. Для того, чтобы система аэротенка сохраняла режим своей работы, человек вынужден сам поддерживать ее гомеостаз. Управление заключается в постоянном нагнетании воздуха (аэрации), периодическом обновлении ила.

Несмотря на то, что естественная экосистема находится в состоянии подвижно-стабильного равновесия, она испытывает медленные, но постоянные изменения во времени, имеющие последовательный характер. Эти изменения в первую очередь касаются биоценоза (биоты). Такую последовательную смену одного биоценоза другим называют сукцессией (лат сукцедо следую).

Сукцессии - естественное явление, хотя часто обусловлены вмешательством человека. Они наблюдаются в природе, если в процессе своего развития сообщество изменяет среду так, что она становится благоприятнее для другого сообщества, формирование которого делает среду еще менее благоприятной для первого. Так происходит постепенное превращение одних экосистем в другие.

Различают первичные и вторичные сукцессии. Первичной сукцессией называется процесс развития и смены экосистем на незаселенных ранее участках. Классический пример - постепенное обрастание голой скалы с развитием в конечном итоге на ней леса. Голый камень малопригоден для жизни. Семена с трудом находят место, подходящее для закрепления и прорастания, а если и прорастут, всходы скорее всего погибнут из-за нехватки воды, воздействия ветра и солнца. Однако мхи могут расти и в таких условиях. Их крошечные клетки – споры прорастают в мельчайших трещинах скал; при засухе мхи переходят в неактивные, покоящиеся состояния, но не гибнут. При малейшем увлажнении продолжается их рост с формированием как бы ковра на поверхности скалы. Он как сито улавливает частицы породы, приносимые ветром или водой. Так постепенно накапливается почва. Вместе с моховым покрытием она обеспечивает место для поселения семенных растений, причем мох удерживает воду, необходимую для прорастания семян. Крупные растения накапливают и образуют почву, кроша скалу своими корнями. Наконец, ее слой оказывается достаточным для развития деревьев и кустарников. Их опадающие листья не дают расти мхам и большинству других мелких видов, начавших сукцессию. Так постепенно на изначально голой скале идет процесс смены мхов травами и, наконец, лесом.

Восстановление экосистемы, когда-то уже существовавшей на данной территории, называют вторичной сукцессией. Классический пример ее - превращение вырубки или заброшенной пашни в лес. Вначале появляются травянистые растения, далее - в результате налета семян - всходы деревьев и кустарников, причем обычно сначала развиваются светолюбивые и быстрорастущие лиственные породы, и лишь по прошествии определенного времени под пологом лиственных начинают расти хвойные.

Сукцессия завершается стадией, когда все виды экосистемы, размножаясь, сохраняют относительно постоянную численность, и дальнейшей смены ее состава не происходит. Такое равновесное состояние называют климаксом, а экосистему климаксовой. В разных абиотических условиях формируются неодинаковые климаксовые экосистемы. В сухом и жарком климате это будет пустыня; в жарком, но влажном - тропический лес. Необходимо отметить, что даже такие системы не абсолютно стабильны; просто все виды достигли в них состояния равновесия друг с другом и со средой. Это динамическое равновесие подразумевает непрерывную настройку и перенастройку так как и популяции, и условия меняются год от года.

При сукцессиях изменения экосистем происходят медленно и постепенно: это более или менее упорядоченный процесс замещения одних видов другими, на всех стадиях которого экосистема достаточно сбалансирована и разнообразна. Резкие изменения, вызывающие популяционный взрыв некоторых видов за счет гибели большинства других, свидетельствуют об экологическом нарушении. Примером этого может служить упомянутый выше сброс богатых биогенами сточных вод в естественные водоемы, вызывающий бурный рост водорослей. Наконец, изменения могут быть столь резкими, что практически ни один исходящий компонент экосистемы не сохраняется. Тогда говорят о ее гибели.

Если не считать землетрясений, извержений вулканов и аналогичных катастроф, то естественные изменения экосистем, как правило, протекают постепенно, по типу сукцессий, тогда как вмешательство человека часто бывает внезапным и глубоким, приводящим к нарушениям или гибели экосистем.