Процеси, що відбуваються у середині екосистем

Біосфера – глобальна екосистема Землі, що складається з величезної кількості екосистем, серед яких виділяють:

• мікроекосистеми (напр., стовбур гниючого дерева і т п.);
• мезоекосистеми (ліс, ставок і т п);
• макроекосистеми (океан, континент і т п).

Для екосистеми необхідно здійснення процесів самовстановлення і саморегуляції сукупності середовищеутворювальних компонентів та елементів, що її складають. Під САМОРЕГУЛЯЦІЄЮ розуміють спроможність природної екосистеми до відновлення внутрішніх властивостей й структур після якогось природного чи антропогенного впливу, що змінив ці властивості й структури. Саморегуляція заснована на принципі зворотного зв`язку окремих підсистем, що складають природну систему, й екологічних компонентів. Кількість зв`язків М залежить від кількості компонентів N, що складають екосистему, і може бути визначено за формулою

(напр., при N=1000, М=500000).

Найнеобхідніші для людини функції екосистем:

• виробництво харчу;
• виробництво кисню;
• виробництво незамінних ресурсів біологічного походження;
• переробка і знешкодження різноманітних відходів;
• рекреація і підтримання нормального стану нервової системи (душевного і психічного здоров`я) людини.

Виходячи з цього, найбільш важливими і для добробуту (існування) людини, і для біосфери в цілому, є наступні екосистеми:

1. Сільськогосподарські;
2. Лісні;
3. Прибережні та прісноводні.

Саме ці екосистеми залучені до найважливіших екологічних процесів, що необхідні як для виживання людини, так і для стійкого соціально-економічного розвитку суспільства.

Аналізуючи внутрішнє життя екосистем логічно виділити три групи процесів (потоків):

1. Потоки інформації;
2. Потоки речовини;
3. Потоки енергії.

Ці потоки взаємопов`язані і тісно переплітаються. Наприклад, носієм енергії та інформації часто служить поток речовини. Інформація може переноситися також з потоками енергії (світловою чи тепловою радіацією, звуковими сигналами) Тому виділення трьох груп процесів носить умовний характер і робиться лише для зручності аналізу дуже складного об`єкту – екосистеми, що функціонує. Завдяки такому виділенню стає зрозумілим, що для повноцінної охорони проживаючих, динамічних екосистем необхідно збереження всіх трьох потоків.

Потоки інформації. Інформація – енергетично слабка дія, яка сприймається організмом як закодоване повідомлення про змогу багаторазово більш міцної дії на нього з боку інших організмів або факторів середовища, та викликає у організму відповідну реакцію. Це найменш розроблена область у вивченні життя екосистем. Освоєння цієї області дозволить зрозуміти механізми регуляції та стійкості екосистем – святая святих екології та ключ до можливості достатньо тонко керувати ними. Один з аспектів вивчення інформації – це дослідження сигналізації та комунікації організмів. Встановлено, що практично всі можливі засоби сигналізації (світлова, хімічна, звукова) використовуються організмами.

Універсальну роль носія інформації у біосфері відіграють електромагнітні поля. Це обумовлено тим, що з усіх відомих нам типів зв`язку саме зв`язок на основі електромагнітних полів є найбільш інформативним та економічним.

Електромагнітні поля, як засіб зв'язку у біосфері, в порівнянні зі звуковою, світловою або хімічною інформацією мають такі переваги:

• розповсюджуються в будь-якому середовищі життя – у повітрі, воді, грунті та тканинах організмів;
• мають максимальну швидкість розповсюдження;
• можуть розповсюджуватися при будь-якій погоді та незалежно від часу на добу;
• можуть передаватися на будь-яку відстань;
• можуть приходити на Землю із Космосу;
• на них реагують усі біосистеми (на відміну від інших сигналів).

Раніш біологи враховували лише електромагнітне випромінювання Сонця в високоенергетичній частині його спектру – інфрачервоному, видимому та ультрафіолетовому частинах діапазону – як джерела енергії для усього живого. Лише в останні десятиріччя вони почали розуміти ту роль, яку відіграють у живій природі електромагнітні поля земного та космічного походження в діапазоні радіочастот, низьких та інфранизьких частот. З`ясувалося, що саме ці енергетично слабкі сигнали несуть інформацію, яка приймається, накопичується та використовується організмами. Це питання ще мало вивчено.

Небезпека, що повинна бути виключена при повноцінній охороні екосистеми – порушення інформаційних потоків між особинами одного виду внаслідок антропогенного впливу на середовище пробування.

І можливо, саме забрудненням інформаційного середовища, що викликане діяльністю людини, слід пояснити загадкові випадки масового "самогубства"китів, що викидаються на суходіл. Адже навколоземний простір у теперішній час перенасичений штучними антропогенними джерелами електромагнітного поля.

Потоки речовини. Ці потоки доцільно розглядати як потоки хімічних елементів (C, N, P). Вони бувають:

• циклічними (коловороти речовин);
• нециклічними (потоки речовини, що приносяться в дану екосистему зовні і уходять з неї в інші ділянки біосфери).

Коловорот речовин – це багаторазова участь речовин в процесах, що протікають в атмосфері, гідросфері, літосфері, в тому числі у тих їх шарах, які входять до біосфери планети. Проте в дійсності повний коловорот учиняють не речовини, а хімічні елементи. Тому точним буде термін "коловорот хімічних елементів".

Для того, щоб біосфера продовжувала існувати, щоб на Землі не припинявся розвиток, постійно повинні проходити беззупинні хімічні перетворення її живої речовини. Іншими словами, після використання одними організмами, речовини повинні переходити в засвою вальну для інших організмів форму. Така циклічна міграція речовин та хімічних елементів може мати місце тільки за певних витрат енергії, джерелом якої є Сонце.

Якщо не враховувати космічну речовину, що надходить до біосфери у вигляді метеоритів і пилу, то можна стверджувати, що кількість речовини, що утягується в біосферні процеси, залишається постійною протягом геологічних періодів.

Внаслідок геологічних змін лику Землі частина речовин біосфери може надовго виключатися з цього коловороту.

Такі біогенні опади, як вапно, кам`яне вугілля, нафта, на багато тисячоліть консервуються в товщі земної кори, але, в принципі, не виключено їх повторне включення в біосферний коловорот.

Виділяють два основних БІОХІМІЧНИХ коловорота:

• великий (геологічний);
• малий (біотичний).

Великий коловорот триває сотні тисяч чи мільйоні років. Він полягає в тому, що гірські породи зазнають руйнування, вивітрювання, а продукти вивітрювання, в тому числі розчинені у воді поживні речовини, зносяться потоками води в Світовий океан. Тут вони утворюють морські напластування і, лише частково повертаються до суходолу з опадами та з видобутими з води людиною організмами. Великі повільні геотектонічні зміни, процеси опускання і підіймання морського дна, переміщення морів та океанів за тривалий час призводять до того, що ці напластування повертаються до суходолу і процес починається знову.

Малий коловорот є частиною великого, відбувається на рівні біогеоценозу і полягає в тому, що поживні речовини грунту, вода, вуглець акумулюються в речовині рослин, витрачаються на побудову тіла і життєві процеси як їх самих, так і організмів-консументів. Продукти розпаду органічної речовини знов розкладаються ґрунтовою мікрофлорою і мезофауною (бактерії, гриби, молюски, комахи, простіші та ін.) до мінеральних компонентів, знов доступних рослинам, що знов утягують їх у поток речовини.

Коловорот хімічних речовин з неорганічного середовища через рослинні і тваринні організми назад в неорганічне середовище, що йде з використанням сонячної енергії хімічних реакцій, носить назву БІОГЕОХІМІЧНОГО ЦИКЛУ.

Коловороти основних речовин і хімічних елементів в біосфері: вуглецю, фосфору, кисню, води.

Енергетичні потоки. Одне з головних властивостей живої системи – її динамічний стан, що полягає в постійному синтезі і розпаді. Підтримання такого стану вимагає споживання вільної енергії, а також просторової і часової організації. В термінах термодинаміки екологічні системи будь-якого рангу є відкритими дисипативними (розсіювальними) системами, що знаходяться вдалині від термодинамічної рівноваги (теплового хаосу).

Термодинамічна нерівноважність – одна з найістотніших характеристик живої речовини, що відрізняє її від неживої.

Принцип "стійкої нерівновагі" (Е.С.Бауер, 1937) проголошує: "Усі і тільки живі системи ніколи не бувають у рівновазі і виконують за рахунок вільної енергії постійну роботу проти рівноваги, що вимагається законами фізики та хімії за відповідних зовнішніх умов".

Якщо температура того чи іншого тіла вище температури навколишнього повітря, тобто має деякий перепад температур, то загальна температура системи "тіло-середовище" прагне до рівноваги. В кінцевому підсумку енергія будь-якого живого тіла може бути розсіяна в тепловій формі, після чого наступає стан термодинамічної рівноваги і подальші енергетичні процеси виявляються неможливими.

Про таку систему кажуть, що вона знаходиться в стані МАКСИМАЛЬНОЇ ЕНТРОПІЇ. Ентропія, таким чином, відображає можливість перетворення енергії і розглядається як міра невпорядкованості системи (максимальної ентропії відповідає максимальна невпорядкованість – хаос). Для того, щоб ентропія системи не зростала, організм чи система повинна витягувати енергію ("упорядкованість організації") звідкілясь іззовні, безупинно підтримувати та накопичувати її проти градієнту ентропії. Цю необхідну енергетичну дотацію екосистема (та організми) одержує від Сонця, по суті являючи собою ВІДКРИТУ СИСТЕМУ.

Живий організм добуває НЕГЕНТРОПІЮ (негативну ентропію) з їжі, використовуючи упорядкування її хімічних зв`язків.

Саме вивчення потоків енергії дало можливість побачити цілісність екосистем, чітко виділити такі структурні особливості та характеристики екосистем, як харчові рівні, ланцюги, сіті.