4. Трансформація енергії та речовини в екосистемі. Джерела й кількість енергії в біосфері

Трофічні рівні – групи організмів, що пов'язані харчовими зв'язками, які забезпечують необхідний рівень обмінних процесів в екосистемі (біоценозі) і займають певне положення в загальному ланцюгу живлення. Рослини (продуценти) в процесі фотосинтезу утворюють основну біомасу екосистеми, за рахунок якої живуть тварини (консументи) і більшість мікроорганізмів (редуценти). Частина з них споживає безпосередньо живі рослини або рештки рослин (1-й Т.р.). Інші живляться тваринами — консументами (хижаки, паразити), утворюючи 2-й, а іноді 3-й і 4-й Т.р. Залежно від якісного і кількісного складу біоценозів Т.р. можуть мати різні ступені складності.

Ланцюги живлення – послідовність груп організмів, кожна з яких (ланка живлення) є їжею для наступної ланки, тобто зв’язані відношенням їжа – споживач (хижак – жертва, паразит – господар тощо).

Первинна продукція - це частина живої речовини, яка створюється завдяки діяльності організмів з автотрофним типом жив­лення. У межах первинної продукції розрізняють валову та чи­сту продукцію. Валовою продукцією називають масу органічної речовини, яка утворюється при фотосинтезі або хемосинтезі. Але, природно, якась частина первинної продукції витрачається на дихання. Залишок органічних речовин після цих витрат і ста­новить чисту продукцію. Різниця між валовою та чистою про­дукцією досить велика, чиста продукція складає 40-80% вало­вої продукції. Для екології основне значення має чиста продук­ція і тому, оцінюючи процес біопродукування, звичайно мають на увазі саме чисту продукцію.

Вторинна продукція складається з органічних речовин, які утворюються при гетеротрофному типі харчування. Вторинна продукція завжди менша, ніж первинна, оскільки, по-перше, не вся первинна продукція з'їдається гетеротрофними організмами, частина її накопичується у ґрунті у формі гумусу (доречі, кам'яне вугілля - це також залишок мінералізованої біомаси, яка створена автотрофними організмами), і, по-друге, гетеротрофи не можуть забезпечити 100% перетворення первинної продукції у вторинну.

Біомаса - кількість речовин живих організмів, яка нагромаджена в популяції, біоценозі або біосфері на будь-який момент часу. Виражається в одиницях сирої або сухої маси, іноді в одиницях енергетичного еквівалента на одиницю поверхні або об'єму. У біосфері Б. рослин (фітомаса) становить 99 %, тварин (зоомаса) - лише 1 %. Величина Б. на Землі, залежить від кількості сонячної енергії, що фіксується рослинами в процесі фотосинтезу (0,1-0,2 % сонячної енергії, яку дістає Земля щороку), і кількості речовин, що беруть участь у біологічному колообігу речовин. Величина Б. та швидкість її збільшення характеризують біологічну продуктивність виду, угруповання або екосистеми. Вивчення Б. має велике значення для раціонального використання ресурсів біосфери і організації охорони природи.

5. Основні екологічні закони

Згідно з новими еколопчними довідниками є близько 60 різних еколо­гічних законів, більшість з яких мають біоекологічннй характер. Наведемо найголовніші з них, в алфавітному порядку.

1) Закон біогенної міграції атомів (закон Вернадського): міграція хі- мічних елементів на земній поверхні та в біосфері в цілому здійснюється під переважаючим впливом живої речовини. Так було і в геологічному ми- нулому, мільйони років тому, так відбувається й у сучасних умовах. Жива речовина або бере участь у біохімічних процесах безпосередньо, або ство- рює відповідне, збагачене киснем, вуглекислим газом, воднем, азотом, фо- сфором та іншими речовинами середовнще. Цей закон має важливе прак- тичне і теоретичне значення.

Нині люди впливають на стан біосфери, змінюючи її фізичний і хіміч­ний склад, умови збалансованої віками біогенної міграції атомів. У майбу­тньому це спричинить луже негативні зміни, які стануть глобальними і некерованими (опустелювання, деградація грунтів, вимирання тисяч видів організмів). За допомогою цього закону можна свідомо й активно запобіга­ти розвитку таких негативних явиш, керувати біохімічними процесами, ви­користовуючи м'які екологічні методи.

2) Закон внутрішньої динамічної рівноваги: речовина, енергія, інформація та динамічні якості окремих природних систем і їх ієрархії дуже ті- сно пов'язані між собою. Так що будь-яка зміна одного з показників неми- нуче призводить до функціонально-структурних змін інших, але при цьому зберігаються загальні якості системи — речовинно-енергетичні, інформа- ційні та динамічні. Наслідки дії цього закону виявляються в тому, що після будь-яких змін елементів природного середовища (речовинного складу, енергії, інформації, швидкості природних процесів) обов'язково розвиваються ланцюгові реакції, які намагаються нейтралізувати ці зміни. Слід за- значити, що незначна зміна одного показника може спричинити сильні відхилення в інших і в усій екосистемі.

Закон внутрішньої рівноваги — один з найголовніших у природокористуванні. Він допомагає зрозуміти, що у разі незначних втручань у природ­не середовище його системи здатні саморегулюватися та відновлюватися, але коли ці втручання перевищують певні межі й вже не можуть "згасну­ти" в ланцюгу ієрархії екосистем (охоплюють цілі річкові системи, ланд­шафти), вони призводять до значних порушень енерго- і біобалансу на значних територіях і в усій біосфері.

3) Закон генетичної різноманітності: все живе генетично різне і має тенденцію до збільшення біологічної різнорідності.

Закон має важливе значення в природокористуванні, особливо в сфері біотехнології (генна інженерія, біопрепарати), коли не завжди можна пе­редбачити результат нововведень під час випробувань нових мікрокультур через мутації, що виникають, або поширення дії нових біопрепаратів не на ті види мікроорганізмів, на які вони розраховані.

4. Закон історичної необоротності: розвиток біосфери і людства як цілого не може відбуватися від пізніших фаз до початкових, загальний про­цес розвитку однонапрямлений. Повторюються лише окремі елементи со­ціальних відносин (рабство) або типи господарювання.

5. Закон константності (сформульований Вернадським): кількість живої речовини біосфери (за певний геологічний період) є величина стала. Цей закон тісно пов'язаний із законом внутрішньої динамічної рівноваги. За законом константності будь-яка зміна кількості живої речовини в одно­му з регіонів біосфери неминуче призводить до такої ж за обсягом зміни речовини в іншому регіоні, тільки із зворотним знаком.

6. Закон кореляції (сформульований Кюв'є): в організмі, як цілісній системі, всі його частини відповідають одна одній як за будовою, так і за функціями. Зміна однієї частини неминуче викликає зміни в інших.

7. Закон максимізаиії енергії (сформульований Г. і Ю. Одумами та доповнений Реймерсом): у конкуренції з іншими системами зберігається та з них, яка найбільше сприяє надходженню енергії та інформації й викорис­товує максимальну їх кількість найефективніше.

8) Закон максимуму біогенної енергії (закон Вернадського-Бауера): будь-яка біологічна та "біонедосконала" система з біотою, що перебуває в стані "стійкої нерівноваги" (динамічно рухливої рівноваги з довкіллям), збільшує, розвиваючись, свій вплив на середовище.

У процесі еволюції видів, твердить Вернадський, виживають ті, які збільшують біогенну геохімічну енергію. На думку Бауера, живі системи ніколи не перебувають у стані рівноваги, якої потребують закони фізики та хімії за існуючих зовнішніх умов.

9) Закон мінімуму (сформульований Лібіхом): стійкість організму ви­значається найслабшою ланкою в ланцюзі його екологічних потреб. Якщо кількість і якість екологічних факторів близькі до необхідного організму мінімуму, організм гине, екосистема руйнується.

Тому під час прогнозування екологічних умов або виконання експертиз дуже важливо визначити слабку ланку в житті організмів.

Закон Лібіха (закон мінімуму) – екологічний закон, який стверджує, що найбільший обмежувальний (лімітуючий) ефект на організм, популяцію або угруповання організмів виявляють ті життєво важливі фактори середовища, кількість (концентрація) яких близька до мінімального критичного рівня. Так, у період посухи при інших сприятливих умовах різко зменшується чисельність гігрофілів, нестача кисню у воді спричинює масове вимирання багатьох гідробіонтів. Закон сформулював у 1840 році німецький агрохімік Ю.Лібіх і запропонував його застосування для регулювання величини шляхом добавки поживних речовин, що містяться в ґрунті в невеликій кількості. З.Л. – окремий випадок закону толерантності.

10. Закон обмеженості природних ресурсів: усі природні ресурси в умовах Землі вичерпні. Планета є природно обмеженим тілом, і на ній не можуть існувати необмежені складові частини.

11. Закон однонаправленості потоку енергії: енергія, яку одержує екосистема і яка засвоюється продуцентами, розсіюється або разом з їх біомасою безповоротно передається консументам першого, другого, тре­тього та інших порядків, а потім редуцентам, що супроводжується втратою певної кількості енергії на кожному трофічному рівні в результаті проце­сів, які супроводжують дихання. В зворотний потік (від редуцентів до про­дуцентів) потрапляє дуже мало початкової енергії (не більше 0,25 %).

12. Закон оптимальності: ніяка система не може звужуватися або розширюватися до нескінченності. Ніякий цілісний організм не може пере­вищити певні критичні розміри, які забезпечують підтримку його енерге­тики. Ці розміри залежать від умов живлення та факторів існування.

У природокористуванні закон оптимальності допомагає знайти опти­мальні з точки зору продуктивності розміри для ділянок полів, вирощува­них тварин, рослин. Ігнорування закону — створення величезних площ мо­нокультур, вирівнювання ландшафту масовими забудовами тощо — при­звело до неприродного одноманіття на великих територіях і викликало по­рушення в функціонуванні екосистем, екологічні кризи.

13. Закон піраміди енергій (сформульований Ліндеманом): з одного трофічного рівня екологічної піраміди на інший переходить у середньому не більше 10% енергії. За цим законом можна виконувати розрахунки зе­мельних площ, лісових угідь з метою забезпечення населення продовольс­твом та іншими ресурсами.

14. Закон рівнозначності умов життя: всі природні умови середо­вища, необхідні для життя, відіграють рівнозначні ролі. З нього випливає інший закон — сукупної дії екологічних факторів. Цей закон часто ігнору­ється, хоча має велике значення.

15. Закон розвитку довкілля: будь-яка природна система розвиваєть­ся лише за рахунок використання матеріально-енергетичних та інформа­ційних можливостей навколишнього середовища. Абсолютно ізольований саморозвиток неможливий — це висновок з законів термодинаміки.

Дуже важливими є наслідки з названого закону:

1. Абсолютно безвідходне виробництво неможливе.

2. Будь-яка більш високоорганізована біотична система в своєму роз­витку є потенційною загрозою для менш організованих систем. Тому в біо­сфері Землі неможливе зародження нового життя - воно буде знищене вже існуючими організмами.

3. Біосфера Землі, як система, розвивається за рахунок внутрішніх і космічних ресурсів.

16) Закон зменшення енерговіддачі в природокористуванні: у процесі одержання з природних систем корисної продукції з часом (в історичному аспекті) на її виготовлення в середньому витрачається дедалі більше енер­гії (зростають енергетичні витрати на одну людину). Так, нині витрати енергії на одну людину на добу майже в 60 разів більші, ніж у часи наших далеких предків. Збільшення енергетичних витрат не може відбуватися не­скінченно. Його можна й слід розраховувати, плануючи свої стосунки із природою з метою їх гармонізації.

17. Закон сукупної дії природних факторів: (закон Міттерніха—Тінемана—Баулса): обсяг урожаю залежить не від окремого, нехай навіть лімітовного фактора, а від усієї сукупності екологічних факторів одночасно.

18. Закон толерантності (закон Шелфорда): лімітуючим фактором процвітання організму може бути як мінімум, так і максимум екологічного впливу, діапазон між якими визначає ступінь витривалості (толерантності) організму до даного фактора. Відповідно до закону, будь-який надлишок речовини чи енергїї в екосистемі стає її ворогом.

Закон толерантності сформулював американський вчений В.Шелфорд у 1913 р. Закон толерантності стверджує, що можливість життя або розквіту будь-якого організму (виду) в даному місцеперебуванні визначається не тільки кількісним мінімумом (див. закон Лібіха), а й максимумом екологічного фактора. Ці величини визначають діапазон толерантності (витривалості) виду, за межами якого фактор діє вже як лімітуючий. Межі толерантності до певного фактора можуть змінюватися залежно від умов перебування і фізіологічного стану організму. В окремих видів може бути широкий діапазон толерантності до одних факторів і вузький - до інших. Ступінь толерантності організмів в екології звичайно позначають за допомогою префіксів: «еври» - широкий і «стено» - вузький (напр., еврибіонти, стенобіонти).

17. Закон грунтостомлення (зменшення родючості): поступове зни­ження природної родючості грунтів відбувається через тривале їх викорис­тання і порушення природних процесів ґрунтоутворення, а також внаслі­док тривалого впрошування монокультур (в результаті накопичення при­родних речовин, що виділяються рослинами, залишків пестицидів і міне­ральних добрив).

18. Закон фізико–хімічної єдності живої речовини (сформульований Вернадським): уся речовина Землі має єдину фізико-хімічну природу. З цього випливає, що шкідливе для однієї частини живої речовини шкодить й іншій її частині, тільки, звичайно, в іншій мірі. Різниця полягає лише в стійкості видів до дії того чи іншого агента. Тривале вживання пестицидів екологічно неприпустиме, бо шкідники розмножуються значно швидше і швидше пристосовуються та виживають, а обсяги хімічних забруднень до­водиться дедалі збільшувати.

19. Закон екологічної кореляції: в екосистемі всі види живої речови­ни функціонально відповідають один одному. Випадання однієї частини системи (виду) неминуче призводить до вимикання пов'язаних з нею ін­ших частин екосистеми і функціональних змін.

Відомі також чотири закони екології американського вченого Коммонера:

1. Все пов'язано з усім.

2. Все мусить кудись діватися.

3. Природа "знає" краше.

4. Ніщо не минається даремно (за все треба платити).

Таким чином, коло завдань сучасної екології дуже широке й охоплює практично всі питання, що торкаються взаємовідносин людського суспіль­ства та природного середовища, а також проблеми гармонізації цих відно­син.

Більшість цих та інших екологічних принципів і законів вдало узагальнив американський еколог Б.Коммонер у 1974 р., звівши їх до чотирьох законів. Закон перший: усе пов´язане з усім. Екологія розглядає біосферу нашої планети як складну систему з багатьма взаємопов´язаними елементами. Ці зв´язки реалізуються за принципами зворотного негативного зв´язку (згадаємо, наприклад, систему «хижак-жертва»), прямих зв´язків (в екосистемах «працюють» усі дії логічної алгебри – «або», «і», «не»), а також завдяки різноманітним взаємодіям, що взаємовиключають одна одну. За рахунок цих зв´язків формуються гармонійні системи кругообігу речовин та енергії. Будь-яке втручання в роботу збалансованого механізму біосфери викликає відповідь одразу за багатьма напрямами, що робить прогнозування в екології надзвичайно складною справою. Закон другий: усе має кудись діватися. На прикладі біологічного кругообігу видно, як рештки й продукти життєдіяльності одних організмів є в природі джерелом існування для інших. Людина поки ще не створила такого гармонійного кругообігу в своїй господарській діяльності. Будь-яке виробництво постійно «випускає» принаймні дві речі – необхідну продукцію й відходи. Відходи самі собою не зникають: вони нагромаджуються, знову втягуються в кругообіг речовин і призводять до непередбачених наслідків. Численні приклади таких наслідків розглядатимуться в гл. 4. Закон третій: природа знає краще. «Живе складається з багатьох тисяч різноманітних органічних сполук, – пише Б. Коммонер, – і часом здається, що принаймні деякі з них можуть бути поліпшені, якщо їх замінити якимось штучним варіантом природної субстанції». Третій закон екології стверджує, що штучне введення органічних речовин, які не існують у природі, а створені людиною, але беруть участь у живій системі, швидше завдасть шкоди. Одним із найдивовижніших фактів у хімії живих речовин є те, що для будь-якої органічної субстанції, виробленої живими істотами, в природі є фермент, здатний цю субстанцію розкласти. Тому, коли людина синтезує нову органічну сполуку, яка за структурою значно відрізняється від природних речовин, цілком імовірно, що для неї немає розкладального ферменту, й ця речовина «накопичуватиметься». Другий закон допомагає зрозуміти, які наслідки матиме таке накопичення. Закон четвертий: ніщо не дається задарма. «Глобальна екосистема являє собою єдине ціле, в межах якого ніщо не може бути вигране або втрачене й яке не може бути об´єктом загального поліпшення: все, що вилучається з неї людською працею, має бути відшкодоване. Сплати за цим векселем не можна уникнути, її можна лише відстрочити», – пише Б. Коммонер. Четвертий закон стверджує: природні ресурси не нескінченні. Людина в процесі своєї діяльності нині бере у природи в «борг» частину її продукції, залишаючи під заставу ті відходи й ті забруднення, яким не може чи не хоче запобігти. Цей борг зростатиме доти, доки існування людства не опиниться під загрозою й люди сповна не усвідомлять необхідність усунення негативних наслідків своєї діяльності. Це усунення потребуватиме дуже великих затрат, які й стануть сплатою цього боргу.

.

12