Функціонування природних та природно-антропогенних систем

Основною функціональною одиницею біосфери є екологічна система (екосистема), до складу якої входять живі організми та абіотичне середовище, причому кожна з цих частин впливає одна на одну та вони обмінюються речовиною і енергією.

Екосистема - єдиний природний або природно- антропогенний комплекс, утворений живими організмами та середовищем їх існування, в якому живі і неживі компоненти поєднані між собою причинно-наслідковими зв’язками, обміном речовин та розподілом потоку енергії.

У природі види рослин і тварин розподіляються не випадково, а завжди утворюють певні, порівняно сталі комплекси (угруповання) - біоценози.

Біоценоз (грец. „біос” - життя та „койнос” - загальний) - стала система живих організмів, які населяють більш- менш однорідну ділянку суші чи води і пов'язані між собою.

Стійкою екологічною системою є біогеоценоз (грец. „біос” - життя, „гео” - земля та „койнос” - загальний).

Біогеоценоз - однорідна ділянка суходолу чи водної поверхні з певним складом живих (біоценоз) та неживих (приземний шар атмосфери, ґрунт, вода, сонячна енергія) компонентів, що динамічно взаємодіють між собою в процесі обміну речовин та енергії.

Біогеоценоз є більш загальним поняттям і його складовими є біотоп і біоценоз.

Біотоп -ділянка суходолу чи водойми з однотипними умовами рельєфу, клімату та інших абіотичних факторів, яку займає певний біоценоз.

Біотоп - неорганічний компонент біогеоценозу. Отже,

біоценоз - спільнота живих організмів, що мешкають у межах одного біотопу.

Поняття „біоценоз” - умовне, оскільки поза середовищем існування.організми жити не можуть. Цим поняттям зручно користуватися в процесі вивчення екологічних зв'язків між організмами. Залежно від місцевості, відношення до людської діяльності, ступеня насичення, повноцінності та інших факторів розрізняють біоценози суші, води, природні та антропогенні, насичені й ненасичені, повночленні та неповночленні.

Структуру біоценозу складають: продуценти - виробники первинної органічної речовини, консументи (рослини та м’ясоїдні тварини) - споживачі органічних речовин і редуценти - перетворювачі органічних речовин на прості мінеральні сполуки.

Продуценти - автотрофні (темо- та фототрофні організми, що продукують органічну речовину з неорганічної. Продуценти є первинною ланкою ланцюгів живлення.

Консументи - організми та їх сукупність, які споживають органічну речовину, створену продуцентами або перетворену консументами нижчих рівнів екологічної піраміди.

Розрізняють консументи першого порядку (травоїдні), другого і вищих порядків (хижаки, паразити тощо).

Редуценти - організми (переважно бактерії, гриби), які в процесі життєдіяльності перетворюють, розкладають органічні рештки на неорганічні речовини.

Редуценти - заключна ланка ланцюгів живлення.

Залежно від способу добування і використання поживних речовин усі організми поділяють на авто- і гетеротрофи.

Автотрофи - організми, що самостійно забезпечують себе їжею.

Вони здатні утворювати органічні речовини з неорганічних за допомогою сонячного світла (фотосинтез) або енергії хімічних реакцій (хемосинтез). До автотрофів належать рослини та деякі бактерії.

Гетеротрофи - організми, що живляться готовими органічними речовинами.

Вони, на відміну від автотрофів, синтезують необхідні для їхнього життя речовини з готових органічних сполук. До гетеротрофів належать тварини, людина, деякі вищі паразитичні рослини, гриби та багато мікроорганізмів.

Основною структурною одиницею в системі живих організмів є ВИД.

Вид (біологічний) - сукупність організмів зі спорідненими морфологічними ознаками, які можуть схрещуватися один з одним і мають спільний генофонд.

Види мають морфологічні, фізіолого-біохімічні, еколого- географічні (біогеографічні) та генетичні характеристики. Вид підпорядкований роду і поділяється на підвиди і популяції.

Популяція - сукупність особин одного виду з однаковим генофондом, яка живе на спільній території впродовж багатьох поколінь.

У кожній екосистемі можна виділити такі компоненти:

- неорганічні речовини (вуглець, азот, вуглекислий газ, вода та ін.), які вступають у колообіг;

- органічні речовини (білки, вуглеводи, гумінові речовини, ліпіди та ін.), які об'єднують біотичну та абіотичну частини екосистеми;

- клімат (температура, вологість, тиск та ін.);

- продуценти - автотрофні організми (переважно рослини);

- консументи - гетеротрофні організми (переважно тварини);

- редуценти (деструктори) - гетеротрофні організми (переважно бактерії та гриби).

Продуценти, консументи, редуценти утворюють живу масу (біомасу). Розташування їх відносно потоку енергії, що надходить, є структурою екосистеми.

Продуценти перетворюють сонячну енергію, вуглекислий газ і воду в процесі фотосинтезу на органічну речовину і кисень, тобто на енергію хімічних зв'язків. Консументи, поїдаючи продуцентів, розривають ці зв'язки. Вивільнена енергія використовується консументами для побудови власного тіла. Редуценти руйнують хімічні зв'язки молекул органічних речовин, які розщеплюються, і будують своє тіло. В результаті вся енергія, яку засвоїли продуценти, використовується на підтримання життя, а частина 39

розсіюється у навколишньому просторі. Органічні речовини розкладаються на неорганічні і повертаються до продуцентів. Таким чином, структуру екосистеми утворюють три рівні трансформації енергії (продуценти, консументи, редуценти) і кругообіги - твердих і газоподібних речовин.

Згідно із законом екологічної кореляції, в екосистемі, як і в будь- якій іншій системі, всі види живої речовини і абіотичні екологічні компоненти функціонально відповідають один одному. Випадання однієї частини системи (виду) неминуче призводить до вимикання пов'язаних з нею інших частин екосистеми і функціональних змін.

Виділяють мікроекосистеми (пеньок з грибами, калюжа, ставок), мезоекосистеми (садова ділянка, ліс, озеро) і макроекосистеми (континент, океан). Глобальною екосистемою є біосфера. Ці екосистеми належать до природних.

Екосистеми - відкриті функціонально цілісні системи, які існують за рахунок надходження з навколишнього середовища енергії та частково речовини і які саморегулюються та самовідтворюються. Проте антропогенні екосистеми, що створені людиною і функціонують за її безпосередньою участю, втрачають здатність до саморегулювання і самовідтворення. Здатність екосистем до саморегуляції та самопідтримання називають гомеостазом. Екосистеми не слід розглядати як щось стале. Система, що зберігає свою стійкість за відносної стабільності зовнішнього середовища, здатна до різних змін унаслідок змін у зовнішньому середовищі і в складі самої екосистеми. Так, у покинутому полі спочатку з'являються багаторічні трави, на зміну яким послідовно приходять чагарники і деревна рослинність.

Зміна екосистем може відбуватися з різних причин. Розрізняють алогенні та автогенні зміни. Алогенні зміни зумовлені впливом геохімічних сил, які діють на екосистему зовні (кліматичні та геологічні фактори: ерозія, утворення осадових порід, пожежі, гороутворення, вулканізм тощо). Автогенні зміни зумовлені дією внутрішньосистемних процесів (наприклад, евтрофікація водойм під впливом забруднення). Всі зміни, які відбуваються з екосистемами, підпорядковуються закону оптимальности ніяка система не може звужуватися або розширюватися до нескінченності. Жоден цілісний організм не може перевищити певні критичні розміри, які забезпечують підтримання його енергетики. Ці розміри залежать від умов живлення та факторів існування. Внаслідок інтенсивного забруднення навколишнього природного середовища спостерігаються швидкі зміни природних екосистем, пов'язані зі зникненням багатьох видів тварин і рослин.

У підтриманні гомеостазу беруть участь не лише організми та продукти їхньої життєдіяльності, а й неорганічна природа. Абіотичні фактори контролюють життєдіяльність організмів. Організми, в свою чергу, різними способами впливають на абіотичне середовище. Життєдіяльність організмів постійно призводить до змін інертних речовин, постачаючи в середовище нові речовини і джерела енергії. Швидкість зміни хімічного складу навколишнього середовища в результаті життєдіяльності організмів, які синтезують і розкладають органічні речовини, на чотири порядки вища, ніж швидкість його зміни під впливом геологічних процесів.

Природно-антропогенні екосистеми є наслідком діяльності людини, спрямованої на задоволення її невпинно зростаючих потреб, насамперед у продуктах харчування. Як відомо, основною властивістю природних систем є здатність до саморозвитку, і насамперед до самовідновлення, хоча б упродовж одного-двох поколінь. Тому деякі науковці вважають, що немає підстав розглядати антропогенні екосистеми, включаючи і агроценози, як біологічні екосистеми. Однак із загальноприйнятого визначення екосистеми випливає, що вони становлять „єдиний природний або природно-антропогенний комплекс, утворений живими організмами і середовищем їх існування, в якому живі й неживі компоненти поєднані між собою причинно-наслідковими зв'язками, обміном речовин та розподілом потоку енергії”. Усе це властиве і антропогенним екосистемам.

Природно-антропогенні екосистеми - це єдиний, цілісний природно-антропогенний комплекс, утворений людиною та середовищем ії існування, в якому живі й неживі компоненти поєднані причинно-наслідковими зв'язками, обміном речовин та розподілом потоку енергії.

Ці системи належать до штучних, у них обмін речовиною та енергією відбувається під впливом людини. А тому вони є відкритими незамкненими системами, які не здатні до самовідновлення та саморегулювання. В антропогенних системах існує рівновага за умови постійного втручання людини.

Залежно від роду діяльності людини, антропогенні екосистеми поділяють на промислові (екосистеми металургійного заводу, харчового виробництва та ін.), сільськогосподарські (агроценози, птахофабрики, тваринницькі ферми та ін.), міські екосистеми (екосистеми комунального господарства, житлового будинку та ін.) тощо.

Раніше від інших були створені людиною сільськогосподарські екосистеми з метою забезпечення її потреб у продуктах харчування - агроценози, тваринницькі ферми тощо.

Агроценози (грец. „агрос” - поле і „ценоз” - загальний) - це ценози, що утворюються і підтримуються людиною завдяки розробленій нею системою агротехнічних та агрохімічних заходів.

Вони характеризуються видовою бідністю й одноманітністю. Відповідно до закону ґрунтовтоми, поступове зниження природної родючості грунтів відбувається через тривале їх використання й порушення природних процесів ґрунтоутворення, а також унаслідок тривалого вирощування монокультур (у результаті накопичення токсичних речовин, що виділяються рослинами, залишками пестицидів та мінеральних добрив). В агроценозах здійснюється антропогенний обмін речовин, який є незамкненим і екологічно недосконалим. На вході в систему є природні ресурси та речовини, продуковані людиною, а на виході - сільськогосподарські продукти та різні відходи, які не повертаються до цієї системи. Згідно із законом сукупної дії природних факторів (закон Мітчерліха - Тіннемана - Бауле), обсяг урожаю залежить не від окремого, нехай навіть лімітуючого фактора, а від усієї сукупності екологічних факторів одночасно.

В агроценозах регуляторні зв'язки дуже послаблені, що призводить до збільшення кількості шкідників і бур'янів. Вони не можуть довго існувати і в них не відновлюється внутрішня рівновага після будь-якого природного чи антропогенного впливу без втручання людини. Проте вони мають високу біопродуктивність обмеженої або кількох видів рослин і тварин, які постачають людству до 90 % продуктів харчування.

Останнім часом розроблені технології штучних екосистем - екосфери. Вперше їх почав створювати в 1967 році співробітник Гаванського університету (США) К. Фолсо. Подібні роботи виконуються і в інших країнах.

Екосфера - це замкнений об'єм., який містить морську воду, пісок і певний набір автотрофів (продуценти - водорості) та гетеротрофів (консументи - коловертки і редуценти - бактерії).

Технічною проблемою при створенні екосфер є попереднє повне звільнення всіх живих організмів від патогенних інфекцій. Якщо цього не здійснити, то організми швидко гинуть унаслідок низького видового різноманіття в екосфері. Останнє не дає змоги переробити речовини в паралельних трофічних ланцюгах. Джерелом енергії в екосфері є сонячне випромінювання, але в деяких екосферах використовують штучне освітлення.

До штучних технічних екосфер можна також віднести виробництва зі штучним кліматом у замкненому заводському приміщенні з працюючими робітниками, підводні човни, космічні кораблі та пілотовані космічні станції. У цих екосферах обмін речовиною та енергією здійснюється за участю людини. Існування таких об'єктів є штучним і нетривалим.

1.6.