Текст книги "101 ключевая идея: Экология"

Автор книги: Пол Митчелл

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 11 страниц)

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ГРУППЫ

Основное внимание в экологических исследованиях до недавних пор уделяли видам, при этом основной упор делался на уникальность каждого отдельного вида. При альтернативном подходе, например при изучении функциональных групп, основное внимание уделяется сходству неродственных видов, которые имеют общие структурные или экологические характеристики. Так, состав разнообразных видов водорослей в коралловых рифах меняется год от года непредсказуемым образом, но всех их можно отнести к одной функциональной группе. В таком случае многие закономерности становятся более заметными.

Функциональный подход в экологии старается свести сложный состав экосистемы к экологически значимым единицам, которыми легче оперировать. Такой подход оказывается особенно полезным для сравнения сообществ в различных географических регионах либо разделенных значительным промежутком времени, так как, хотя виды, выполняющие в этих сообществах определенные роли, и являются разными, их функция остается одной и той же.

Не существует единой схемы, на основании которой выделяют функциональные группы: они могут быть основаны на внешнем виде взрослых особей, на сходстве жизненного цикла, на функциональной роли (как, например, редуценты, потребляющие органические остатки) либо на сходстве реакции на факторы внешней среды (например, засухи). Определяющей здесь является черта, наиболее важная для конкретной ситуации. Иногда полезно объединить виды в одну группу исходя из их формы и размера, например деревья, кустарники, травы. В другом случае важными могут оказаться признаки жизненного цикла (сезонность, размер и число семян и т. д.).

Функциональные группы похожи на гильдии тем, что виды в них группируются по функциональному сходству, а не по таксономическому родству. Отличаются они от гильдий в основном тем, что последние группируются, как правило, исходя из потребления общих ресурсов, хотя иногда оба этих термина используются как синонимы.

См. также статьи «Гильдии», «Сообщество: структура», «Экологическая избыточность».

ХАОС

Понятие хаоса, или беспорядка, называют одним из наиболее важных достижений науки XX века. Связанные с хаосом явления, такие, как «странные аттракторы» или «фрактальная размерность», коренным образом изменили взгляд ученых на природу Вселенной.

Казалось бы, если система детерминирована, то есть не содержит случайных элементов, то нетрудно предсказать ее состояние в тот или иной момент времени. Но это не совсем так. Доказано, что даже простые, абсолютно детерминированные процессы могут привести к весьма сложным, кажущимся случайными флуктуациям. Это называется детерминированным хаосом.

Основная черта хаоса – детерминированного или какого-либо иного – это крайняя «чувствительность к начальным условиям»; иными словами, самые незначительные различия в начальных условиях увеличиваются со все большей скоростью, приводя к совершенно разным линиям развития. Это значит, что, хотя хаотические системы и являются предсказуемыми в течение короткого периода времени (как, например, погода), они становятся все более непредсказуемыми на увеличивающихся отрезках времени (в отличие от совершенно случайных систем, которые одинаково непредсказуемы на любых отрезках времени).

В случае простой модели зависимости роста популяции от численности по мере увеличения числа выжившего потомства, производимого каждым индивидом, поведение популяции меняется от стабильного равновесия до периодических циклов, а затем, при очень высоких показателях роста, переходит в состояние хаоса. Но даже и тогда размер популяции остается ограниченным (стабильным) – он не продолжает расти до бесконечности или не уменьшается до нуля, – хотя внутри этих границ поведение популяции в большой степени непредсказуемо.

Динамику хаоса изучали в упрощенных лабораторных условиях на примере одного вида. Но какую роль детерминированный хаос играет в высшей степени изменчивых природных условиях, где много посторонних влияний? Ясные данные о хаосе в естественных условиях отсутствуют. Это не значит, что такого явления нет, или что оно не играет важной роли, просто в реальных условиях детерминированный хаос нелегко отличить от флуктуаций популяции, вызванных изменчивостью окружающей среды, не связанной с плотностью популяции.

См. также статьи «Метапопуляция», «Равновесие», «Регулирование численности популяции», «Факторы, зависящие от плотности».

ХВОЙНЫЕ ЛЕСА (ТАЙГА)

Полоса обширных хвойных лесов, основными видами растительности в который являются сосна и ель, постепенно передвигается на север, начиная с того времени, когда закончился последний ледниковый период и ледяные шапки планеты стали уменьшаться.

Для области хвойных лесов характерны холодная зима (до минус 40 °C) и относительно умеренное лето (10–15 °C). Зимой выпадает много снега, который оседает на ветвях деревьев. Особая форма ветвей ели помогает ей выдерживать давление снега – лишний снег просто сбрасывается вниз. Той же цели служит и хвоя. Форма хвоинок также помогает деревьям сократить потерю воды (недостаток воды хвойные леса испытывают оттого, что зимой она выпадает в виде снега, а в районах вечной мерзлоты круглый год существует в виде льда). Кроме того, вечнозеленые деревья всегда готовы к фотосинтезу, как только позволит температура.

Из-за густой тени в хвойных лесах, растительность нижнего яруса довольно бедна. Густой ковер из хвоинок при холодной температуре разлагается медленно. За многие тысячелетия эти леса накопили в деревьях, подстилке и почве огромные запасы углерода.

Сухая хвоя легко загорается, и потому хвойные леса особенно подвержены пожарам. Некоторые виды растений прекрасно приспособились к таким условиям. Есть даже такие, которым требуется пожар. При высокой температуре в шишках некоторых сосен плавится смола, освобождая семена. В канадских хвойных лесах первыми после пожара вырастают сосна и осина (которая может дать побег от корней). Они доминируют в течение первых нескольких лет после пожара, а позже их догоняет ель.

За последнее столетие средняя температура в северных хвойных лесах поднялась примерно на 2 °C; по мере того как становится теплее, леса теряют влагу и иссушаются. Они становятся более пожароопасными, а при пожарах, кстати, выделяется углекислый газ (основной «парниковый газ»). Если пожары достаточно интенсивны и затрагивают почву, то выделяется большое количество накопленного в ней углерода.

См. также статьи «Глобальное изменение окружающей среды», «Пожары», «Тундра».

ХИМИЧЕСКАЯ ЭКОЛОГИЯ

Потеющие и плохо пахнущие ноги – это вовсе не смертельно и даже не опасно для здоровья, но только если вы не живете в странах, где распространена малярия. Комаров – переносчиков малярии привлекает запах различных химических веществ, которые выделяет наше тело через кожу и дыхание. Люди с плохо пахнущими ногами кажутся им более привлекательными (этот залах образуется в результате деятельности бактерий, обитающих в потовых железах).

Химические вещества – это важное средство случайной и преднамеренной передачи информации как внутри одного вида, так и между представителями разных видов. Они могут приносить пользу отправителю или получателю этих своеобразных сигналов. Где есть передача информации, там возможен и обман. К примеру, некоторые пауки заманивают самцов бабочек, выделяя запах самок, а некоторые растения привлекают для своего опыления насекомых, питающихся гнилым мясом или навозом.

Химические вещества порой играют очень важную роль при защите или атаке организмов. В качестве примеров можно привести жука-бомбардира, который выпускает в своих врагов струю горячих ядовитых химикалий, и ежей, которые смазывают свои колючки ядовитым веществом, полученным с кожи жаб.

Как и следовало ожидать, средства химической защиты наиболее развиты и разнообразны у растений. В растениях содержится большое количество химических веществ, предназначенных, по всей видимости, исключительно для самообороны. Эти вещества могут быть очень ядовитыми и использоваться в качестве устрашения либо довольно мягкими, задерживающими процесс пищеварения травоядных. Известные примеры таких веществ, используемых в качестве защиты, – никотин, кофеин и танин.

Несмотря на широкое применение химических веществ животными и растениями, их эффективность не всегда ясна. Большинство растений поедается многочисленными видами травоядных, многие из которых в процессе эволюции выработали средства контрзащиты. То, что для одного вида является ядом, для другого может оказаться вполне съедобным. Вследствие этого изучение химической защиты растений сталкивается с трудностями, и до сих пор в этой области есть много нерешенных вопросов.

См. также статью «Растительноядные».

ХИЩНИЧЕСТВО

Львы, волки и крокодилы – вот что первое приходит на ум, когда произносят слово «хищники», но это только один из типов хищников (определяемых в широком смысле как организмы, которые потребляют еще живыми другие организмы или их части). В этом смысле птицы, питающиеся семенами, паразиты, паразитоиды и кролики, питающиеся травой, также будут хищниками. Хищник обычно выигрывает в результате межвидовых взаимоотношений, а жертва проигрывает. Если эффекты, которые производит хищничество, связать с изменениями размера популяции, то такое взаимоотношение схематически можно определить как (+,-) (см. «Межвидовые взаимоотношения»). Но не все взаимоотношения типа (+, -) образуются вследствие хищничества.

Давление естественного отбора требует, чтобы жертва старалась не попасться хищнику на обед. Оно приводит к появлению таких механизмов, как бегство, химическая защита, маскировка и образование больших групп. Поскольку жертвы сопротивляются, то хищники стараются охотиться на старых, молодых или больных особей. Поскольку эти категории вида-жертвы не способствуют воспроизводству, то их ликвидация оказывает малое воздействие на размер популяции в целом. Кроме того, внутри вида-жертвы остается меньше конкурентов, соревнующихся за ресурсы, поэтому выжившие могут расти быстрее и производить больше потомства. Подобные соображения лежат в основе «изъятия» особей (отстрела, отлова), когда определенную часть вида ликвидируют без особых последствий для общей численности популяции.

Хищничество лежит в основе биологических методов борьбы с вредителями, оно может быть важной составляющей в поддержании разнообразия видов. Однако ввоз хищников в новые места обитания, особенно на острова, может привести к серьезным экологическим потрясениям. Примером тому может послужить исчезновение нелетающих птиц на некоторых островах после появления там кошек.

См. также статьи «Биоконтроль над вредителями», «Межвидовые взаимоотношения», «Паразитизм», «Паразитоиды», «Растительноядные», «Сосуществование видов при посредстве хищника».

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯИЗБЫТОЧНОСТЬ

По различным оценкам скорость вымирания видов в наше время в 100—1000 раз превышает скорость вымирания их до появления человека. Возникает важный вопрос: как утрата видов влияет на функционирование экосистем? Под функционированием мы понимаем образование первичной продукции, разложение, круговорот воды и питательных веществ и т. п.

Связь между разнообразием и функционированием экосистемы в данный момент служит предметом многочисленных исследований и обсуждений. В качестве крайних точек зрения были предложены гипотеза избыточности и «гипотеза заклепок». Согласно «гипотезе заклепок», виды подобны заклепкам, удерживающим систему, причем каждая заклепка выполняет небольшую, но важную роль, и если их удалять по одной, то связь внутри системы ослабнет. В конечном итоге можно дойти до такого состояния, когда экосистема просто развалится. Гипотеза избыточности предполагает, что в экосистемах некоторое число видов выполняют большинство функций и поэтому до какой-то степени потеря «лишних» видов не сказывается на их функционировании. Гипотеза уникальности утверждает, что связь между разнообразием и функционированием экосистемы преимущественно непредсказуема.

Так какая же гипотеза верна? Возможно, все, в зависимости от изучаемой экосистемы, от исследуемых экологических процессов и от временного и пространственного масштаба исследований.

Некоторые ученые беспокоятся, что если, согласно гипотезе избыточности, некоторые виды назвать «лишними», то о них никто не будет заботиться и они быстро вымрут. У нас никогда не будет достаточно знаний, чтобы наверняка определить, какие виды функционально избыточны для всех возможных экологических процессов. И кто может предсказать, какие виды станут необходимыми после возможных серьезных нарушений экосистемы? Многие экологические процессы, вызванные человеческой деятельностью, обратимы (хотя бы теоретически). Исчезновение же видов – это процесс необратимый, потому что, если вид полностью исчезает, его уже не возродить. Поэтому нужно стараться сохранить любой редкий вид.

См. также статьи «Ключевые виды», «Сложность и стабильность сообщества», «Функциональные группы».

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Энергия – это универсальная валюта вселенной, подавляющая ее часть поступает на Землю от Солнца. В основе всех экологических процессов лежит не только энергия света, но и энергия тепла, которая приводит в действие (помимо всего прочего) круговорот воды, а от него, в свою очередь, зависит круговорот питательных веществ. Экологическая энергетика имеет дело с потоком, превращением и использованием энергии организмами и экосистемами.

Из всей энергии, заключенной в солнечном свете, который достигает поверхности земли, растения преобразуют в первичную чистую продукцию менее 1 %. Это происходит по нескольким причинам: например, большая часть света просто отражается от растений, энергия световых волн определенной длины не может быть использована растениями. Та энергия, которую растения «уловили», не полностью идет на накопление биомассы: некоторая ее часть тратится на поддержание обмена веществ, на поддержание жизни и на размножение.

В среднем растительноядные животные поедают только 10–20 % наземной чистой первичной продукции, хотя в водных экосистемах это количество достигает 80 %. Частично это объясняется тем, что большинство наземных растений содержат много бесполезных веществ – от несъедобных компонентов, используемых в качестве строительного материала, до токсичных веществ, используемых в качестве защиты от травоядных.

В отличие от растительноядных хищники поглощают почти все, что содержится в позвоночных животных. Из-за небольшого размера в насекомых больше несъедобных частей, таких, как внешний скелет. Для того чтобы поддерживать постоянную температуру тела, птицы и млекопитающие тратят очень много энергии, и потому только 1–2 % потребленной ими энергии идет на образование новой биомассы.

Принимая во внимание все потери и неэффективные затраты, с одного трофического уровня на другой поступает от 2 до 24 % энергии (в среднем 10 %).

См. также статьи «Микробная петля», «Первичная продукция», «Разложение», «Трофический уровень», «Экосистема».

ЭКОЛОГИЯ

В каком-то смысле наука экология такая же древняя, как человек. Люди всегда зависели от окружающего мира, от потребляемых ими животных и растений. Им нужно было знать, на каких животных охотиться, какие растения собирать и выращивать. Но самостоятельной научной дисциплиной экология стала только в конце XIX века, когда некоторые ученые осознали, что то, чем они занимаются, на самом деле экология (а не сомнительная ветвь физиологии), и начали называть себя экологами.

Первое и, возможно, самое краткое определение экологии дал Чарлз Элтон. Он назвал ее научным естествознанием. Если под словом «научное» подразумевать научный подход, то он прав, ведь экологи действительно подходят к окружающему миру с научной точки зрения. Однако, хотя естествознание и является важной частью экологии, эти два термина вовсе не синонимы. Можно сказать, что овладение основами естествознания является необходимым, но не достаточным условием для того, чтобы стать экологом. Экология как наука ставит целью нахождение общих правил в разнообразии природы и поиск объяснений этих правил. Экологи восхищаются деталями, но стараются за частным не упустить общего.

Основной принцип экологии – плюрализм. По мере развития экологии как науки стало ясно, что не существует четких и универсальных ответов на многие задаваемые ею вопросы. На экологические процессы действуют различные факторы, которые переплетаются друг с другом да еще и варьируются в пространстве и во времени. Экология, в отличие от других естественных наук, имеет и исторический аспект. Например, многие сообщества умеренного пояса до сих пор переживают последствия ледникового периода. Для того чтобы понять мир природы, нам следует принять во внимание различные способы его объяснения и рассмотреть его с разных точек зрения.

Люди оказывают на окружающую среду все большее и большее влияние, и, для того чтобы не только обрести достойное будущее, но и просто выжить, нам придется серьезно задуматься над вопросами экологии.

См. также статьи «Масштаб в экологии», «Обобщения в экологии», «Экспериментальная экология».

ЭКОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Людей впечатляют большие размеры. Наверное поэтому, вспоминая о юрском периоде, мы в первую очередь представляем себе гигантских динозавров, когда-то «правивших» нашей планетой. Однако, если какие-то организмы и «управляют» Землей, то это микроскопические прокариоты (одноклеточные, лишенные ядра, организмы, такие, как бактерии). Они первыми появились и, пожалуй, переживут все остальные организмы; они играют очень важную роль почти во всех экологических процессах (от круговорота питательных веществ до образования облаков); они вездесущи (их встречают даже в толще горных пород, залегающих в нескольких километрах от земной поверхности). В генетическом плане прокариоты – самые большие организмы. Новый штамм болезнетворных бактерий, появившийся от одной клетки (поэтому в генетическом смысле его можно назвать одним организмом), может распространиться по всем континентам.

Экология микроорганизмов занимается исследованием взаимодействия микроорганизмов (прокариотов, простейших, некоторых грибов) с окружающей средой. Она несколько оторвана от основной ветви экологии и сделала небольшой вклад в развитие экологической теории, однако в последнее время ее значение увеличивается.

Заниматься исследованиями в области экологии микроорганизмов нелегко в основном из-за ограничений, накладываемых технологией. Один грамм почвы может содержать несколько миллиардов бактерий самых разнообразных видов, из числа которых в лаборатории можно вырастить только 1 %, так что трудности начинаются уже при отборе. (Даже термин «вид» не совсем подходит при исследовании бактерий, так как. генетическая информация может передаваться между относительно далекими родственными группами). Однако в последнее время наблюдаются значительные достижения в экспериментальной экологии микроорганизмов, и мы начинаем понимать принципы функционирования этих бесчисленных полчищ, особенно принципы их участия в круговороте питательных веществ. Во всяком случае похоже, что микроорганизмы играют гораздо более важную роль в природе, чем мы представляли до сих пор.

См. также статьи «Биогеохимические циклы», «Гея», «Микробная петля», «Молекулярная экология», «Мутуализм», «Симбиоз».

ЭКОСИСТЕМА

Экосистема – это единый природный комплекс, образованный сообществом живых организмов и средой их обитания. Это не более высокий по сравнению с сообществом уровень организации, а скорее более широкий. Экосистему можно представить как систему по переработке энергии, в которой входящий поток – энергия, питательные вещества, вода, кислород – поглощается и перерабатывается организмами. Именно взаимодействие между живыми и неживыми компонентами образует целостную экосистему, поскольку не только окружающая среда оказывает влияние на организмы, но и организмы оказышают влияние на среду обитания.

Экологи часто рассуждают о функционировании экосистемы, о первичной и вторичной продукции, скорости разложения, круговороте питательных веществ и т. п. По мере того как исчезают многие виды, возникает более насущный вопрос: какое влияние окажет на функционирование экосистемы сокращение биологического разнообразия? (См. «Экологическая избыточность»).

С одной стороны, экосистемы оказывают человеку ряд «услуг»: они предоставляют нам пищу, регулируют климат, поддерживают круговорот питательных веществ, перерабатывают отходы и т. д. Конечно, в каком-то смысле значение экосистем для нас бесценно, так как без них мы просто погибнем. С другой стороны, человечество продолжает бездумно их эксплуатировать и загрязнять, а разработчики и политики не выделяют достаточно (если вообще выделяют) средств на поддержание этих «услуг». Устав подбирать этические или философские аргументы в ответ на экономические, экологи с недавних пор стали пытаться определить стоимость продуктов и «услуг», производимых природой.

Согласно одной из оценок, экосистемы предоставляют нам услуги стоимостью более 33 триллионов долларов США в год. Это вдвое больше, чем общемировой валовой продукт. Точные цифры не важны; главное, что это огромная сумма, которая, тем не менее, оказывается за пределами рынка и не учитывается в экономическом планировании. Идея рыночной оценки природы и ее «услуг» революционна и даже потенциально опасна. Но такой подход хотя бы заставляет экономистов, экологов и политиков говорить на одном языке, что уже хорошо.

См. также статьи «Сообщество», «Экологическая избыточность», «Экологическая энергетика», «Экосистемные инженеры».