Дополнительный материал к уроку биологии в 9 классе "Развитие и смена биогеоценозов"

Развитие и смена биогеоценоза

Некоторые ученые и философы воспринимают биосферу Земли как единый живой организм. Писатель Станислав Лем в своем романе «Солярис» описал встречу людей с подобной формой жизни – живой планетой Океан. Но так же, как слон не смог бы найти общий язык с огромной бактерией, так и герои романа не смогли исследовать принципиально новую форму разума. Автор делает вывод, что человек ищет в космосе не просто разумную жизнь, а формы жизни, похожие на него самого, которые могли бы контактировать с людьми на равных. Если нам когда-либо повезет найти таких «братьев по разуму», то для нас и для них общими будут законы формирования и смены биогеоценозов.

Рис. 1.

Биогеоценозы, или наземные экосистемы со сбалансированным круговоротом веществ, смогут существовать бесконечно долго, пока внешние силы не выведут их из равновесия. Действительно, темнохвойная тайга, ковыльные степи, широколиственные дубравы занимали определенные территории тысячелетиями после последнего оледенения.

Рис. 2.

Деятельность человека за последние столетия сильно изменила ландшафты Земли.

Рис. 3.

Развитие биогеоценоза происходит не как развитие организма. Рост и усложнение организма определяется наследственностью, то есть заложенными в зиготе генами. Биогеоценозы возникают по другому принципу.  Они формируются на основе случайного или самопроизвольного подбора видов, имеющегося в окружающей среде и способного существовать в данных условиях.

Рис. 4.

Возникающий таким путем состав видов не существует долго, а меняется. Процесс изменения идет до тех пор, пока не установится сообщество, способное поддерживать сбалансированный круговорот. Такой процесс саморазвития биологических систем называется сукцессией.

Рис. 5.

Сукцессия – последовательная, необратимая и закономерная смена одного биоценоза другим на определенном участке среды во времени.

Сукцессии могут быть первичными и вторичными, то есть восстановительными.

Первичные сукцессии начинаются с заселения обнажившихся участков территорий. Это осыпи, отмели, голые скалы, сыпучие пески или валы, созданные человеком.

Рис. 6. 

Безжизненные участки сначала занимают виды, которые способны быстро расселяться, заносятся ветром и водой их семена, споры, прилетают насекомые, забегают мелкие грызуны, и некоторые из них приживаются на данном участке (http://ecologylib.ru/books/item/f00/s00/z0000023/st002.shtml).

Образуется сообщество из случайных видов – их называют пионерами. Они, как правило, малоустойчивы, а их вид вскоре вытесняется новыми поселенцами.

Рис. 7. 

На пионерной стадии сообщество несбалансированное, в нем еще не сформировались сложные  цепи питания, не заняты все экологические ниши, растительная продукция не полностью используется консументами и редуцентами, которые накапливаются в экосистеме. Новые виды, поселившиеся здесь, тоже изменяют среду, делая ее непригодной  для себя, и потому вскоре вытесняются конкурентами.

Рис. 8. Пищевая цепь видов

В результате происходит очередная замена одного биогеоценоза качественно другим, то есть происходит смена биогеоценоза. Возникающее на этом этапе пионерное сообщество называют также незрелым.

Рис. 9. 

Смена биогеоценозов – это замена одного биоценоза другим, качественно отличающимся от предыдущего. Постепенно, по мере проникновения популяций других видов, сообщество становится всё более устойчивым. В нем нарастает видовое разнообразие, происходит всё большее наполнение его представителями разных жизненных форм. Также происходит расхождение видов по экологическим нишам и ярусам. Ослабляется конкуренция, увеличивается значение взаимовыгодных отношений. В сообществе накапливается все больше видов с длительными циклами развития.

Рис. 10. 

Многочисленные паразиты и хищники регулируют количество своих жертв, не допуская вспышек их численности. Вся продукция, созданная растениями, идет на поддержание огромной армии животных, грибов и бактерий.

Рис. 11.

В одних цепях питания перерабатываются части живых растений и животных. В других – мертвая органическая масса. Оба процесса уравновешивают друг друга.

Рис. 12.

Биогеоценозы становятся устойчивыми, потому что изменение среды, вызываемое одними видами, компенсируется деятельностью других. Такие экосистемы называют зрелыми или конечными, коренными. Круговорот веществ в зрелом биогеоценозе сбалансирован.

Вторичные, или восстановительные сукцессии, начинаются после частичного нарушения экосистем. Такие нарушения происходят, например, после лесного пожара, рубки леса, в этих случаях уничтожаются не все элементы экосистемы, а остается сформированная живыми организмами почва, сохраняются семена, корневища, споры, выживают даже некоторые виды животных.

Рис. 13. Развитие биоценоза после лесного пожара

Например, ельники в европейской части России после рубок восстанавливаются за 60-80 лет, проходя стадии временных сообществ, кустарниковых зарослей и мелколиственных лесов.

Рис. 14. Процесс восстановления ельника

Экологические сукцессии являются механизмами развития и самоподдержания  природных экосистем.

Понимание законов сукцессии важно для многих сторон деятельности человека. Следует знать, что биогеоценоз не может быть одновременно высокоустойчивым и накапливать при этом избыток первичной продукции.

Создавая агроэкосистемы – поля, сады и огороды, – надо понимать, что они крайне неустойчивы и требуют постоянной поддержки человека – вспашки, удобрения, посева, полива и т.д.

Рис.15. 

Эта неустойчивость проявляется во вспышках вредителей и атаках сорняков, эрозии почв, исчерпании минеральных соединений.

Рис.16.

Если на следующий год не засеять поле вновь, то оно стремительно преобразуется в пустошь, а затем в ходе сукцессии – в луг или кустарниковые заросли.

Рис. 17. 

Чтобы не подрывать стабильность биоценоза и получать при этом первичную продукцию, люди должны так организовывать ландшафт, чтобы он включал зрелые и незрелые экосистемы. Именно поэтому мечта превратить землю в цветущий сад несбыточна. Сад, поле – пионерные и нестабильные экосистемы. У человечества просто не хватит сил бороться против законов природы. Сады и поля должны чередоваться в ландшафте с лесами, водоемами и другими типами биогеоценозов, обеспечивая всё то биоразнообразие, на котором и строится устойчивость природной среды в биосфере.

Рис. 18.

Нестабильные экосистемы

Далеко не всегда требуются внешние силы для того, чтобы изменить биогеоценоз. В природе существует множество нестабильных сообществ, целенаправленно изменяющихся даже без какого-либо внешнего вмешательства. Мелеют и зарастают глубокие озера, на месте мокрого луга вскоре появляются заросли кустарников. Лишайники на скалах постепенно заменяются мхами, а затем травами. Под ними формируется тонкий слой почвы. Всё это – примеры нестабильной экосистемы, сообщества которой быстро меняют видовой состав.

Рис. 19.

Короткосуточные сукцессии

Наряду с крупными, долгосрочными сукцессиями в природе протекает множество мелкомасштабных и срочных сукцессий. Происходит зарастание земных выбросов кротов, завалов деревьев в лесу, ниш высоких луж, прудов и т.д.

Рис. 20. 

Наряду с растительностью этих участков меняется животное и микробное население. Такие мелкие сукцессии постоянно происходят в крупных стабильных биогеоценозах, восстанавливая в них локальные нарушения и поддерживая целостность  экосистем.

Рис. 21.

Пермакультура

Представление об экосистемах дало начало инновационному сельскому хозяйству  – пермакультуре, или перманентной агрокультуре. Впервые термин был употреблен австралийцами Биллом Моллисоном и Дэвидом Холмгреном в 1974 году.

Рис. 22.

Пермакультура старается создать естественную экосистему и отказывается от  использования синтетических удобрений, пестицидов, регуляторов роста растений, кормовых добавок и генетически модифицированных организмов и семян. Искусственно созданное пермакультурное сообщество обладает устойчивостью и не требует дальнейшего вмешательства человека для поддержания своей структуры.

Рис. 23.

Вопросы:

1. Как биогеоценозы могут изменяться со временем?

2. Что такое сукцессия?

3. Каким образом достигается устойчивость биоценозов?

4. Как соотносятся зрелые и незрелые экосистемы?