Круговорот серы и воды в глобальной экосистеме планеты

Сера преобразуется в различные соединения и циркулирует в биосфере. Из природных источников она попадает в атмосферу в следующем виде:

• сероводород (H2S) - бесцветный, дурно пахнущий ядовитый газ - при извержении вулканов, при разложении органических веществ в болотах и затапливаемых приливами низинах;
• диоксид серы (SO2) - бесцветный, удушливый газ – при извержении вулканов;
• частицы сульфатных солей (например, сульфат аммония) – из атмосферы.

Около трети всех соединений серы и 99 % диоксида серы, попадающих в атмосферу, имеют антропогенное происхождение. Сжигание серосодержащих углей и нефти для производства электроэнергии дает примерно две трети всех антропогенных выбросов двуокиси серы в атмосферу. Остальная треть приходится на такие технологические процессы, как переработка нефти, выплавка металлов из серосодержащих медных, свинцовых и цинковых руд.

В атмосфере двуокись серы окисляется кислородом до газообразного триоксида серы, который при реакции с водяным паром образует мельчайшие капельки серной кислоты (H2SO4). Взаимодействуя с другими атмосферными компонентами, триоксид серы может образовывать мельчайшие частицы сульфатных солей. Серная кислота и сульфатные соли вносят свой вклад в образование кислотных осадков, нарушающих жизнедеятельность лесных и водных экосистем.

Гидрологический цикл, в процессе которого происходит накопление, очистка и перераспределение планетарного запаса воды, состоит в следующем. Солнечная энергия и земное притяжение непрерывно перемещают воду между океанами, атмосферой, сушей и живыми организмами. Важнейшими процессами этого круговорота являются испарение, конденсация, осадки и сток воды назад в море для возобновления цикла.

Под воздействием поступающей солнечной энергии вода испаряется с поверхности океанов, рек, озер, почв и растений и поступает в атмосферу. Ветры и воздушные массы переносят водяной пар в различные районы Земли. Понижение температуры в отдельных частях атмосферы приводит к конденсации водяного пара, образованию облаков и туманов и выпадению атмосферных осадков.

Часть пресной воды возвращается на поверхность земли в виде осадков, замерзает в ледниках. Однако в основном она заполняет понижения и ложбины и стекает в ближайшие озера, ручьи и реки, которые несут ее назад в океан, тем самым, замыкая кольцо круговорота. Такой сток пресных вод с поверхности суши вызывает также эрозию почв, которая приводит к перемещению различных химических веществ в рамках других биогеохимических циклов.

Значительная часть возвращаемой на сушу воды просачивается глубоко в грунт. Там происходит накопление грунтовых вод в водоносных горизонтах - подземных резервуарах. Подземные источники и водотоки в итоге возвращают воду на поверхность суши и в реки, озера, ручьи, откуда она вновь испаряется или стекает в океан. Однако циркуляция подземных вод происходит несравнимо медленнее, чем циркуляция поверхностных и атмосферных вод.

Итак, все компоненты экологической системы, находясь в постоянном взаимодействии между собой, образуют круговороты химических элементов. Обмен веществ организмов между собой и обмен их с окружающей средой можно рассматривать как процессы передачи информации и энергии. Следовательно, в любой экосистеме, где существуют пищевые цепи, имеются определенные каналы передачи этой информации: химической, энергетической, генетической и др..

Сбалансированность биологического круговорота, а следовательно, и устойчивость экологических систем, с точки зрения кибернетики, обеспечиваются механизмами и процессами обратной связи. Принцип обратной связи заключается в том, что некоторый управляющий компонент той или иной системы получает информацию от управляемых компонентов, используя эту информацию для внесения коррективов в дальнейший процесс управления.

Для пояснения принципа обратной связи в экологии рассмотрим условную простую экологическую систему, состоящую только из двух трофических уровней олень-волк То есть в этой модельной экосистеме отсечены «продуцентная» и «редуцентная» части, а сложная связь трофических каналов, существующая в реальном, представлена звеном перехода вещества и энергии от консумента 1-го рода (олень) к консументу 2-го рода (волк). Подобное упрощение позволит сделать некоторые принципиальные выводы.

В этой системе волки (хищники) поедают оленей (жертв). Если численность жертвы постоянно растет, то хищник, который только этой жертвой и питается, тоже имеет возможность увеличить свою численность (объем популяции). В этом проявится положительная обратная связь, которая стремится вывести систему из равновесия. Но поскольку волк ест оленей, то он, естественно, снижает численность популяции оленя. В этом проявляется отрицательная обратная связь, которая компенсирует отклонение и возвращает систему в исходное состояние. Если численность волка почему-либо резко возрастает, то он, соответственно, снизит и численность оленя, и сам будет поставлен перед условием ограничения собственной численности, так как будет испытывать недостаток пищи.

В естественной экологической системе все время поддерживается равновесие, исключающее необратимое уничтожение тех или иных звеньев в трофических цепях. Численность волка и оленя всегда будет держаться на определенном уровне. Сколь бы ни была сильна экосистема, она всегда сбалансирована, устойчива и только поэтому продуктивна.

Любое поле или теплица — это живая экосистема, стабильность которой держится на обратных связях между организмами. В естественных условиях система сама регулирует численность видов, но этот баланс легко нарушить внешними помехами. Понимание этих механизмов помогает агроному прогнозировать, выдержит ли посадка климатический стресс и нашествие вредителей, или же биоценоз полностью разрушится.

Взаимодействие популяций в цепи «олень — волк» наглядно показывает, как система реагирует на внешние раздражители. Роль помех в каналах связи между видами играют различные факторы:

• климатические изменения (например, засуха, снижающая продуктивность растений);
• инфекционные заболевания, ослабляющие популяцию;
• появление новых хищников или конкурентов за пищевой ресурс.

Такие помехи запускают естественный отбор. Слабые особи погибают или не дают потомства, а наиболее стойкие выживают и передают наследственную информацию следующим поколениям.

Устойчивость биоценоза напрямую зависит от разнообразия связей внутри системы. Чем сложнее экологическая система и чем больше в ней перекрещивающихся пищевых цепей, тем выше ее общая стабильность. Монокультуры именно поэтому наиболее уязвимы к внешним факторам по сравнению с многокомпонентными системами.

Предел устойчивости и критические нагрузки на экосистему

В определенных пределах система способна адаптироваться к нагрузкам. При умеренном стрессе численность звеньев цепи снижается, но сохраняется их термодинамическое соотношение. Новый уровень стабильности в этом случае обеспечивается механизмами отрицательной обратной связи.

Однако давление помех на экосистему не может быть беспредельным. При критическом уровне стресса, например при эпидемиях или нашествии новых конкурентов, защитные механизмы отказывают. Отрицательная обратная связь больше не может компенсировать отклонения, и система переходит в стадию распада.