Водоём и лес как пример экосистем

В урожайные годы возрастает количество травоядных. Хищники, обеспеченные пищей, быстро размножаются. Сокращение численности травоядных создает дефицит питания среди хищных видов, и в малокормные годы они почти не размножаются. 

Каждые несколько  лет численность популяций леммингов  в тундре резко возрастает. Лемминги объедают тундровую растительность. Вещества растений через организм зверьков переходят в детрит и лишь спустя несколько лет после минерализации  образуют плодородную почву с  богатым и питательным растительным покровом. Численность леммингов  снова возрастает. В малокормные  годы их количество интенсивно сокращается  не только недостатком питания, но еще  и быстро размножившимися хищниками  — песцами, лисами, совами. Так растения, лемминги и хищники осуществляют саморегуляцию тундровой экосистемы, сохраняя ее устойчивость и долговечность. 

Вспышки размножения  вредителей длятся обычно недолго. Их численность быстро сокращается  недостатком питания, расплодившимися  хищниками и паразитическими  насекомыми (в многочисленной популяции  им легче переходить на других особей), а также вирусными, бактериальными и грибковыми заболеваниями, особенно действующими на ослабленные недостатком  корма организмы вредителей. Применение ядов часто имеет негативные побочные эффекты. Заодно с вредителем яд уничтожает насекомых-опылителей, хищных и паразитических животных. Другие насекомые, устойчивые к ядам (растительноядные клещи, комары и т.д.), численность которых до внесения ядов подавлялась хищниками  и паразитами, усиленно размножаются и наносят ущерб сельскохозяйственным культурам. Регуляция численности  вредителей — важная экологическая  задача. 

Неразумное вмешательство  в природные экосистемы приводит к непредсказуемым и печальным  последствиям. В середине ХIХ в. на одной из ферм Австралии выпустили на волю 12 пар завезенных из Европы кроликов. В экосистемах Австралии было недостаточно хищников, способных регулировать их численность, и за 40 лет популяция кроликов разрослась до нескольких сот миллионов особей. Кролики расселились по всему материку, выедая проростки сосны, уничтожая луга и пастбища, подрывая кормовую базу местных травоядных — кенгуру. Поселенная в крымских лесах белка телеутка заметно сократила их естественное возобновление и стала причинять ущерб виноградникам. Промысловую же ценность белка утратила, ее пушистый мех в теплом климате стал коротким и грубым. 

К неблагоприятным  последствиям привела акклиматизация уссурийского енота в биоценозах Европейской части России. Несмотря на сходство климатических условий, зверьки утратили ценные качества меха. В лесах они сократили численность  охотничьих птиц, в особенности тетеревов, истребляя их гнезда и выводки. Еноты  стали обитать вблизи населенных пунктов, нападая на птицу и мелких домашних животных. 

В процессе акклиматизации горбуши в реках северо-западного  региона России из-за конкуренции  за пищу и места для нереста  сильно сократилась численность  местных лососевых рыб. Для борьбы с личинками малярийных комаров  в реках Приаралья в 40-50-е годы развели рыбку-гамбузию, неожиданно интенсивно сократившую численность  промысловых рыб, успешно конкурируя с ними в охоте на мелких животных. 

Вселенные виды —  одна из основных причин вымирания  позвоночных животных. На Гавайские  острова ввезли 22 вида млекопитающих, 160 видов птиц, 1300 видов насекомых, свыше 2 тыс. видов цветковых растений. Вселенные виды стали главной  причиной вымирания 30% птиц-аборигенов, 34% моллюсков, перед угрозой исчезновения находятся до 70% видов гавайской  флоры. 

Проблема восстановления в биоценозах природной саморегуляции особенно важна в наши дни, когда многие виды находятся на грани исчезновения, а природные территории утратили благолепный вид. 

Развитие и смена  экосистем 

Устойчивость экосистем  относительна, поскольку с течением времени изменяются как внешние  условия, так и характер взаимодействия организмов биоценоза. Различают циклические  и поступательные изменения экосистем. 

Циклические перемены обусловлены периодическими изменениями  в природе — суточными, сезонными  и многолетними. Засушливые годы чередуются с влажными, изменяется и численность популяций организмов, приспособленных либо к засухе, либо к увлажненности. 

Поступательные изменения  более продолжительные и обычно приводят к смене одного биоценоза  другим. Они могут быть вызваны: 

— изменением природной  среды под влиянием жизнедеятельности  самих организмов экосистемы; 

— установлением  стабильных взаимоотношений между  видами после их нарушения, например, лесным пожаром, сменой климата или  вмешательством людей; 

— влиянием человека. 

Поступательные изменения  называют сукцессией (лат. successio вступление на чье-либо место, преемственность) — саморазвитием экосистемы в результате взаимодействия организмов друг с другом и с абиотической средой. В ходе сукцессии малоустойчивый биоценоз сменяется более устойчивым. 

Рассмотрим сукцессии, вызванные жизнедеятельностью самих  существ, населяющих экосистему. В процессе жизнедеятельности существа насыщают среду определенными веществами. Среда изменяется и становится более пригодной для жизни других видов, вытесняющих прежние. 

Сукцессия голой  каменистой местности начинается с  выветривания горных пород под действием  абиотических факторов — температуры, влажности, солнечного света. Разрушение пород продолжают бактерии, грибы, водоросли, синезеленые, накипные лишайники. Продуцентами органического вещества на начальных этапах являются синезеленые, водоросли лишайников и свободно живущие водоросли. Особенно неприхотливы синезеленые, они способны самостоятельно усваивать азот атмосферы. Пищевая независимость позволяет синезеленым осваивать необитаемые скалы. Их отмирающие организмы обогащают среду азотом. 

Образующиеся в  процессе жизнедеятельности первичных  поселенцев органические кислоты растворяют породы и способствуют минерализации  нарождающегося почвенного слоя. В  результате деятельности такого биоценоза  накапливается питательная смесь  органических и минеральных соединений с растительными остатками, обогащенными азотом. На питательной смеси вырастают  неприхотливые споровые растения, не имеющие корней, — мхи, кустистые  лишайники (их корнеподобные выросты называют ризоидами). По мере отмирания примитивной растительности формируется тонкий слой почвы. Появляются травянистые растения — осока, злаки, клевер, затеняющие первых поселенцев и лишающие их влаги. Пионерские виды постепенно вытесняются. Вслед за травами появляются кустарники, подготавливается почва для развития древесной растительности. 

Число видов, населяющих череду экосистем, постепенно увеличивается, пищевая сеть становится все более  разветвленной, все полнее используются ресурсы среды. Наконец биоценоз становится зрелой устойчивой лесной экосистемой, хорошо приспособленной  к природным условиям и обладающей саморегуляцией. Популяции в этой зрелой экосистеме воспроизводятся и не вытесняются другими видами. Наступает конечный этап сукцессии — климакс (греч. klimax лестница). Климаксовая растительность подмосковных лесов — дубрава с подлеском из орешника и доминированием в травяном покрове осоки. Вследствие нестабильности внешних факторов, в частности, вмешательства человека, большая часть подмосковных лесов еще не достигла климакса. 

Описанная смена  экосистем от каменистой местности  до лесного массива длится сотни  лет, несколько быстрее происходит развитие экосистем на песчаных дюнах. При наличии благоприятных экологических  факторов (в основном, влажности) на песках быстро расселяются злаки, ивняк, а вместе с ними — кузнечики, роющие осы, пауки. На обжитом участке вырастают  сначала сосны, а затем и лиственные формы, разнообразится животный мир, появляются различные жуки, муравьи. На месте  сухой и бесплодной пустыни постепенно формируется экосистема лиственного  леса с плодородной почвой, богатой  дождевыми червями и моллюсками. 

Определяющую роль в формировании биоценозов играют экологические  факторы, благоприятствующие развитию растительности. Измененный ею грунт  служит основой для формирования полноценных экосистем. 

Практически на глазах одного поколения происходит зарастание озер. Сукцессия мелких водоемов обычно происходит следующим образом. Сначала  вдоль берегов образуется сплавина — плавающий растительный ковер  из мхов, осок и других трав. Водоем заполняется остатками растений, которые из-за недостатка кислорода в придонных слоях не успевают перерабатываться водными обитателями и образуют торф. Озеро постепенно заболачивается, исчезают планктон и рыбы. Появляются растения и животные, приспособленные к болотистой среде. Образовавшееся болото постепенно сменяется мокрым лугом, затем кустарником и наконец зарастает лесом. 

Всем знакома островная  речная сукцессия. На удобренном илом островке трава становится все гуще, затем ее вытесняет кустарник, появляется слой почвы, и через 20-30 лет на месте  отмели красуется лесной островок с  птицами, ягодами и грибами. В  ходе сукцессии увеличивается разнообразие видов животных и растений, система  становится более устойчивой. Сукцессии, с чего бы они ни начались — с  горельника, болота или песчаных дюн, — завершаются в климаксе лесом. Чаще — лиственным, реже — хвойным. 

Лес — самая устойчивая экосистема, поскольку обладает наибольшим разнообразием видов. Одни деревья  не создают устойчивой экосистемы. При устройстве снегозадерживающих ветрозащитных лесопосадок возникает  неожиданная проблема — деревья  уничтожаются насекомыми. Для борьбы с ними оказывается необходимым  создавать более устойчивый биоценоз — подсаживать кустарники для  гнездовья и питания птиц, снижающих  численность насекомых в лесах  на 40-70%. Аналогичные проблемы возникают и при создании лесопарков, искусственных пастбищ и других экосистем. Науку, занимающуюся конструированием искусственных сообществ организмов, способных ужиться и дополнять друг друга, называют экологической инженерией. 

Рассмотрим сукцессию  одной из заброшенных русских  деревень. Первые 10 лет буйствовали  травы, потом около 15 лет преобладали  кустарники. Наконец появился сосновый лес, который примерно через 100 лет  после начала сукцессии сменился лиственным лесом. За период сукцессии  число видов птиц возросло от 2-3 до 18-20. 

Другой причиной развития экосистем, кроме изменения  абиотической среды под действием  организмов, является установление стабильных взаимоотношений между видами. Особенное  значение этот фактор приобретает при  отклонениях от равновесия, вызванных, например, лесным пожаром. Рассмотрим восстановление (вторичную сукцессию) елового леса. 

Прежнее пепелище в  летнее время легко узнать по ярко-розовым  цветкам иван-чая, на пустоши быстро расселяется вейник, лебеда, мать-и-мачеха, успешно заселяющие оголенные места. С появлением других видов эти травы не выдерживают конкуренции и быстро исчезают, постоянно кочуя, они первыми осваивают места с нарушенным растительным покровом. 

Нежные всходы ели  на открытых местах повреждаются заморозками  и страдают от перегрева. Поэтому  на горельнике сначала появляется молодняк березы, осины и сосны. Создается благоприятная обстановка для потребителей веточных кормов и ягод. Резко возрастает численность полевок, зайцев, оленей и косуль. При переходе подроста в жердняк молодые побеги становятся недоступными большинству животных, поэтому их численность сокращается. Затенение ухудшает и кормовые качества травяного покрова. Поэтому жердняки представляют собой наименее населенную животными стадию сукцессии лесов. 

Деревья постепенно вытесняют пионерскую травянистую  растительность и образуют мелколиственный  или сосновый лес. Сосна — нетребовательное к качеству почвы светолюбивое растение, легко заселяющее болотистые, каменистые и песчаные грунты. Деревья в таком  лесу расположены не слишком часто, поэтому нижний ярус занимают светолюбивые растения — вереск, толокнянка, брусника. Наконец наступают благоприятные  условия для проростков ели. 

В отличие от сосны, ель — влаголюбивое и теневыносливое растение. Ее всходы успешно конкурируют  с подростком светолюбивых лиственных пород и сосной. Проникшие глубоко  в почву и отмершие корни березы и других лиственных пород облегчают  корням ели доступ в нижние горизонты. Особи ели, в отличие от светолюбивых форм, располагаются в лесу более  плотно. Когда ели достигают верхнего яруса, своими густыми ветвями они  затеняют и вытесняют лиственные деревья и проростки светолюбивой сосны. В тени растущих елей в более  влажной почве развивается иной видовой состав нижних ярусов, присущий еловой тайге. Так, минуя ряд временных  сообществ, самовосстанавливается исходная экосистема елового леса, устойчивая в данной почвенно-климатической зоне. 

Подобным образом  таежные леса Европы там, где позволяют  почвы, постепенно сменяются на еловые. Основными экологическими факторами, способствующими в Европе смене зрелых и устойчивых сосновых сообществ еловыми, являются постепенное потепление и увлажнение климата. Семена ели, оказавшись в сосновом лесу, успешно прорастают и уже не дают развиваться соснам. Сосновые леса остаются вне конкуренции на неблагоприятных для елей каменистых, болотистых и песчаных почвах, а также вдоль границы с лесотундрой.