Популяции. Экологические пирамиды. Правило 10%. Поток энергии. Биомасса и количество видов

В наших предыдущих рассуждениях было одно допущение, которого не может быть в реальной жизни. Рассматривая экологические взаимосвязи на организменном уровне, мы допускали, что организм (цветок) может быть отдельно одиночно живущим, как и другие участники пищевой цепи. В действительности этого не встречается нигде и никогда. В природе нет одиночно существующих особей. Есть некий миф об одиноко бродящем снежном человеке, но эта не наша тема.

Общепризнано и очевидно, что живое вещество планеты неоднородно, основными взаимодействующими группами внутри живого вещества являются популяции. В этой подглаве мы рассмотрим взаимосвязи в экосистеме на популяционном уровне.

«Популяция - это группа организмов одного вида, обитающая на определенной территории в течение длительного времени» (Словарь Реймерса). Конечно, это упрощенное определение, но для дальнейших рассуждений вполне годится, если только мы как бы поставим задачу: изучить любую группу особей одного вида, т.е. популяцию. Изучить, это значит ответить на вопросы - сколько всего особей, сколько они все весят, какой их возрастной состав, как связаны с другими популяциями? Ответами на все эти вопросы сразу могут быть пирамиды Элтона. Кратко раскрою эту тему с помощью Н.Ф. Реймерса, приведя отрывок из его книги «Начала экологических знаний».

«Если общую цепь питания изобразить в виде строительных блоков количественного соотношения усваиваемой на каждом этапе энергии и сложить друг на друга, получится пирамида. Её называют экологической пирамидой. Выраженное в единицах массы (веса) или энергии количество живого вещества организмов, обычно соотносимое с какой-то площадью или объемом, называют биомассой. Числа на рисунке относятся к таким показателям, а стрелки символизируют поток энергии и поступление веществ. Согласно закону экологической пирамиды энергий, или правилу десяти процентов (его называют также законом, или правилом Р. Линдемана, по имени сформулировавшего его в 1942 г. немецкого ученого):

«с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой в среднем переходит около 10% поступающей на предыдущий уровень энергии».

На самом деле потеря бывает не десятикратной, а несколько меньше, а в других случаях – больше, но порядок чисел сохраняется» (рис.4).

На практике это означает, что довольно с большой точностью можно спрогнозировать, сколько телят сможет прокормить пастбище известной площади с известной растительной биомассой, каких привесов могут достигнуть эти телята и сколько мяса можно будет выставить на продажу в конце года.

Так чисто экологические проблемы легко и быстро переходят в проблемы экономические.

Биомасса в наземных экосистемах убывает от продуцентов к редуцентам. Согласно правилу 10% убывает и биогеохимическая энергия. Всегда ли экологические пирамиды показывают только убывание?

В некоторых водных экосистемах, отличающихся исключительно высокой биологической продуктивностью продуцентов, пирамида биомасс может быть обращенной, т.е. биомасса продуцентов в них меньше, чем консументов, а иногда и редуцентов (рис. 4 а). Это объясняется тем, что продуценты в водных экосистемах - это одноклеточные водоросли, которые даже в сумме не дают такой массы, как в наземных экосистемах растительность. Но их вполне хватает для питания травоядных рыб, поскольку водоросли очень быстро размножаются и поэтому идет постоянное восполнение утрачиваемой биомассы.

Есть и печальные примеры обратных пирамид. Когда в пищевую цепь попадают токсические вещества, то их накопление происходит очень интенсивно, это иллюстрируется примером с пестицидом ДДТ (дихлордифенилтрихлорэтан)[11], относящимся к группе дустов.

Содержание ДДТ в частях на 1 млн. единиц

Вода - 0.00005, Цапля-3,57

Планктон -0,04 Крохаль-утка- 22,8

Планктоноядные- 0,23 Баклан - 26,4

Щука - 1,33

Н.Ф. Реймерс в книге «Начала экологических знаний» приводит следующее правило накопления вредных веществ:

«Если полезное при его излишке легко выводится из организма, то вредное не только плохо выводится, но и накапливается в пищевой цепи». (конец цитаты).

Отсюда мы заключаем, что между «вредным» и «полезным» существует принципиальное отличие, которое заключается, прежде всего, в искусственном происхождении «вредного» и природном происхождении «полезного». В живой природе на каждую сложную молекулу есть свой «упроститель» - чаще всего это фермент или группа ферментов. Но вся беда в том, человек, синтезируя все новые и новые химические соединения, совершенно не задумывается о способах их превращения в простые молекулы - продукты любого естественного круговорота. Нагроможденные друг на друга атомы синтетических веществ накапливаются в организмах так стремительно, как это показано на примере с ДДТ. Накопление идет как в клетках, так и в межклеточных пространствах, при этом механизмы вывода существуют только для «своих» молекул, а чужеродные, неспособные сами разлагаться до простых веществ, молекулы «болтаются» по организму, безмерно его засоряя. Причем, периоды полураспада этого и похожих пестицидов составляют от 10 до 20 лет.

Есть искусственно созданные, сравнительно простые химические соединения, например, витамины, которые, как нам кажется, «усваиваются» организмом. Но, учитывая принцип Луи Пастера о киральной чистоте основных жизненно важных молекул (сахара – правые, аминокислоты – левые), мы должны помнить, что промышленно синтезированные подобные вещества образуют только рацемические смеси, такие же, которые существуют в неживой природе. Сколько бы человек не старался синтезировать только левые или только правые формы любых молекул, получается снова и снова соотношение 50:50. Значит, всё, что не имеет натурального происхождения, полезно для человека ровно на 50%, если это лекарственные или пищевые продукты. А если речь идет о моющих средствах или пестицидах, которые не разлагаются на простые вещества, то такие химические соединения вообще не имеют права на существование, поскольку не могут встраиваться в природные биогеохимические циклы. Вместе с тем, если разработан механизм их редуцирования до простых соединений, пусть даже до рацемических смесей, такие соединения могут почти безболезненно использоваться человеком.

Глава 4. Биотические взаимоотношения в биосфере, их закономерности. Биоразнообразие и его значение. (Модель Н.Ф. Реймерса “Волчок жизни”)

4.1. Планетарное живое вещество в модели «Волчок жизни»

Рассматривая взаимоотношения отдельно взятого организма или популяции с внешней средой, мы неизбежно ограничивали пространство изучения и совершенно не учитывали количество видов, т.е. то самое биоразнообразие, по поводу охраны которого сбиты все природоохранные копья.

Следующая модель позволит нам расширить пространство до планетарных размеров, учесть количество видов и биомассу живого вещества одновременно на разных трофических уровнях. Автор этой модели Николай Федорович Реймерс. По сути своей, эта модель есть ничто иное, как трансформированная двухмерная пирамида. Уровень изучения с предыдущего популяционного на этой модели «незаметно» переходит в экосистемно-биосферный, или точнее в экосистемно-планетарный. Модель называется «Волчок жизни» (рис. 5). Показатели глобальной биомассы выражены в виде высоты цилиндров, а их диаметр составляют числа видового разнообразия. При этом взято минимально называемое число видов консументов, сейчас полагают, что оно многократно больше.

Продуценты (ось), это все растения и одноклеточные водоросли:

-количество видов (диаметр цилиндра) – 350 000;

-биомасса (высота цилиндра) - 2,4х10¹²т;

Консументы (центральная часть, «юбочка» - все животные):

-количество видов (диаметр цилиндра) – до 4500000;

-биомасса (высота цилиндра) - 2,3х10¹⁰т;

Отдельно показана биомасса человечества, она равна 1,8х10⁸т. (устаревшие данные, по современным подсчетам это число выросло до 3,1х10⁸т – О.П.)

Редуценты:

-количество видов (диаметр цилиндра) –75 000;

-биомасса (высота цилиндра) – 1,2х10¹⁰т;

В чем смысл такой конструкции, если представить, что это просто игрушка? Конечно, всегда хочется, чтобы волчок как можно устойчивее находился во вращении, не заваливался на бок, и чтобы из одних узоров на его «юбочке» получались другие, т.е. присутствовало бы разнообразие. От чего же это зависит? Попробуйте покрутить вокруг своей оси обычную шариковую ручку. В результате не получается ни устойчивости, ни вращения. Добиться некоторого успеха можно с помощью компьютерного диска, или похожего предмета и какой-нибудь случайно подобранной оси - карандаша, ручки и т.п. Вряд ли у Вас быстро получится что-то путное. Только хорошо просчитанные пропорции и подогнанные детали дают нам желаемый результат. Чтобы убедиться в этом, запустите одновременно самодельный волчок и настоящий волчок-игрушку, для этого подойдет и шестеренка из часового механизма или из инерционной игрушки. В результате такого примитивного опыта мы делаем очень значимый вывод:

- длительное, устойчивое вращение зависит от - юбочки, т.е. от консументов!

И смысл этой модели по Н.Ф. Реймерсу - показать управляющее значение консументов. Для обывателя это звучит несколько неожиданно, получается - если больше всего членистоногих, то они нами и правят? В этом нет ничего удивительного, тем более, что по сути так оно и есть. Мы знаем, что для того, чтобы уничтожать целые армии “вредных” тараканов и других неприятных созданий, человек развивает и совершенствует химическую промышленность, а потом сам же попадает в ее сети. Можно привести еще много примеров на эту тему, но самая главная причина управления со стороны консументов кроется в биогенной миграции атомов. Вопрос этот очень важный и подходить к нему нужно осторожно, не упрощая, но и не усложняя. Чтобы ухватить самую суть, снова проведем параллель с экономикой: в бизнесе успешен тот, кто изучает спрос, а спрос рождается потребителем. Потребитель со своими желаниями и нуждами - “мотор” для рынка. Консументы же - это двигатели круговоротов, или правильнее, биогеохимических циклов. Что являет собой любой биогеохимический цикл в ближайшем рассмотрении? Это упорядоченная цепь биогеохимических реакций, происходящая в результате биотических взаимоотношений. Так вот, причины относительной устойчивости прохождения этих химических реакций в планетарной экосистеме на протяжении обозримых отрезков времени, можно рассматривать на двух уровнях:

- макроуровень – это разнообразие биотических взаимоотношений, например, траву могут поедать и корова, и тля, и заяц. Зайца могут догнать и волк и лиса.

- микроуровень - химические реакции, “работающие” на круговороты, грубо говоря, процессы пищеварения консументов и питания редуцентов.

Когда волк съел зайца и процесс дошел до редуцентов, круговорот, таким образом, с макроуровня переходит на микроуровень.

На протяжении более 4 миллиардов лет живое вещество планеты ценою катастроф упорядочивало оба эти уровня, работа которых и есть основа устойчивости любой экосистемы. Без макроуровня не было бы микроуровня и наоборот.

Рис.4 – пирамида и 4а – пирамида водных экосистем

Рис. 5 – волчок жизни