Колообіг сірки та води в глобальній екосистемі планети

Сірка перетворюється на різні сполуки і циркулює в біосфері. З природних джерел вона потрапляє в атмосферу в такому вигляді:

• сірководень (H2S) - безбарвний, смердючий отруйний газ - під час виверження вулканів, під час розкладання органічних речовин у болотах та низинах, що затоплюються припливами;
• діоксид сірки (SO2) - безбарвний, задушливий газ – під час виверження вулканів;
• частинки сульфатних солей (наприклад, сульфат амонію) – з атмосфери.

Близько третини всіх сполук сірки та 99 % діоксиду сірки, що потрапляють в атмосферу, мають антропогенне походження. Спалювання сірковмісного вугілля та нафти для виробництва електроенергії дає приблизно дві третини всіх антропогенних викидів двоокису сірки в атмосферу. Решта третини припадає на такі технологічні процеси, як переробка нафти, виплавка металів із сірковмісних мідних, свинцевих та цинкових руд.

В атмосфері двоокис сірки окислюється киснем до газоподібного триоксиду сірки, який при реакції з водяною парою утворює найдрібніші крапельки сірчаної кислоти (H2SO4). Взаємодіючи з іншими атмосферними компонентами, триоксид сірки може утворювати найдрібніші частинки сульфатних солей. Сірчана кислота та сульфатні солі роблять свій внесок у утворення кислотних опадів, що порушують життєдіяльність лісових та водних екосистем.

Гідрологічний цикл, у процесі якого відбувається накопичення, очищення та перерозподіл планетарного запасу води, полягає в такому. Сонячна енергія і земне тяжіння безперервно переміщують воду між океанами, атмосферою, суходолом і живими організмами. Найважливішими процесами цього кругообігу є випаровування, конденсація, опади та стік води назад у море для відновлення циклу.

Під впливом сонячної енергії, що надходить , вода випаровується з поверхні океанів, річок, озер, ґрунтів і рослин та надходить в атмосферу. Вітри і повітряні маси переносять водяну пару в різні райони Землі. Пониження температури в окремих частинах атмосфери призводить до конденсації водяної пари, утворення хмар і туманів та випадіння атмосферних опадів.

Частина прісної води повертається на поверхню землі у вигляді опадів, замерзає в льодовиках. Однак переважно вона заповнює пониження та лощини і стікає в найближчі озера, струмки та річки, які несуть її назад в океан, тим самим замикаючи кільце кругообігу. Такий стік прісних вод із поверхні суходолу викликає також ерозію ґрунтів, яка призводить до переміщення різних хімічних речовин у межах інших біогеохімічних циклів.

Значна частина води, що повертається на суходіл, просочується глибоко в ґрунт. Там відбувається накопичення підземних вод у водоносних горизонтах — підземних резервуарах. Підземні джерела і водотоки зрештою повертають воду на поверхню суходолу і в річки, озера, струмки, звідки вона знову випаровується або стікає в океан. Однак циркуляція підземних вод відбувається незрівнянно повільніше, ніж циркуляція поверхневих та атмосферних вод.

Отже, всі компоненти екологічної системи, перебуваючи в постійній взаємодії між собою, утворюють кругообіги хімічних елементів. Обмін речовин організмів між собою та обмін їх із навколишнім середовищем можна розглядати як процеси передачі інформації та енергії. Отже, в будь-якій екосистемі, де існують харчові ланцюги, є певні канали передачі цієї інформації: хімічної, енергетичної, генетичної та ін.

Збалансованість біологічного кругообігу, а отже, і стійкість екологічних систем, з точки зору кібернетики, забезпечуються механізмами та процесами зворотного зв'язку. Принцип зворотного зв'язку полягає в тому, що певний керуючий компонент тієї чи іншої системи отримує інформацію від керованих компонентів, використовуючи цю інформацію для внесення корективів у подальший процес управління.

Для пояснення принципу зворотного зв'язку в екології розглянемо умовну просту екологічну систему, що складається тільки з двох трофічних рівнів: олень-вовк. Тобто в цій модельній екосистемі відсічені «продуцентна» і «редуцентна» частини, а складний зв'язок трофічних каналів, що існує в реальному, представлений ланкою переходу речовини та енергії від консумента 1-го роду (олень) до консумента 2-го роду (вовк). Подібне спрощення дозволить зробити деякі принципові висновки.

У цій системі вовки (хижаки) поїдають оленів (жертв). Якщо чисельність жертви постійно зростає, то хижак, який тільки цією жертвою і харчується, теж має можливість збільшити свою чисельність (обсяг популяції). У цьому проявиться позитивний зворотний зв'язок, який прагне вивести систему з рівноваги. Але оскільки вовк їсть оленів, то він, звісно, знижує чисельність популяції оленя. У цьому проявляється негативний зворотний зв'язок, який компенсує відхилення і повертає систему у вихідний стан. Якщо чисельність вовка чому-небудь різко зростає, то він, відповідно, знизить і чисельність оленя, і сам буде поставлений перед умовою обмеження власної чисельності, оскільки відчуватиме нестачу їжі.

У природній екологічній системі весь час підтримується рівновага, що виключає незворотне знищення тих чи інших ланок у трофічних ланцюгах. Чисельність вовка та оленя завжди триматиметься на певному рівні. Хоч би якою сильною була екосистема, вона завжди збалансована, стійка і тільки тому продуктивна.

Будь-яке поле чи теплиця — це жива екосистема, стабільність якої тримається на зворотних зв'язках між організмами. У природних умовах система сама регулює чисельність видів, але цей баланс легко порушити зовнішніми перешкодами. Розуміння цих механізмів допомагає агроному прогнозувати, чи витримає садіння кліматичний стрес і навалу шкідників, чи біоценоз повністю зруйнується.

Взаємодія популяцій у ланцюзі «олень — вовк» наочно показує, як система реагує на зовнішні подразники. Роль перешкод у каналах зв'язку між видами відіграють різні фактори:

• кліматичні зміни (наприклад, посуха, що знижує продуктивність рослин);
• інфекційні хвороби, що послаблюють популяцію;
• поява нових хижаків або конкурентів за харчовий ресурс.

Такі перешкоди запускають природний добір. Слабкі особини гинуть або не дають потомства, а найбільш стійкі виживають і передають спадкову інформацію наступним поколінням.

Стійкість біоценозу прямо залежить від розмаїття зв'язків усередині системи. Що складніша екологічна система і що більше в ній перехресних харчових ланцюгів, то вища її загальна стабільність. Монокультури саме тому найбільш вразливі до зовнішніх факторів порівняно з багатокомпонентними системами.

Межа стійкості та критичні навантаження на екосистему

У певних межах система здатна адаптуватися до навантажень. При помірному стресі чисельність ланок ланцюга знижується, але зберігається їхнє термодинамічне співвідношення. Новий рівень стабільності в цьому разі забезпечується механізмами від'ємного зворотного зв'язку.

Однак тиск перешкод на екосистему не може бути безмежним. При критичному рівні стресу, наприклад при епідеміях або навалі нових конкурентів, захисні механізми відмовляють. Від'ємний зворотний зв'язок більше не може компенсувати відхилення, і система переходить у стадію розпаду.