Логотип БСИ ДВО РАН
Биологическое разнообразие и его экологическое значение

Лекция 4. Биологическое разнообразие и его экологическое значение

На этом фото мы видим множество видов растений, совместно произрастающих на лугу в пойме р. Будюмкан на юго-востоке Читинской области. Зачем природе потребовалось столько видов на одном лугу? Об этом и идет речь в данной лекции.

Разнообразие биотического покрова, или биоразнообразие , - это один из факторов оптимального функционирования экосистем и биосферы в целом. Биоразнообразие обеспечивает устойчивость экосистем к внешним стрессовым воздействиям и поддерживает в них подвижное равновесие. Живое от неживого в первую очередь отличается на несколько порядков большим разнообразием и способностью не только сохранять это разнообразие, но и существенно увеличивать его по мере эволюции. Вообще эволюцию жизни на Земле можно рассматривать как процесс структурирования биосферы, процесс увеличиения разнообразия живых организмов, форм и уровней их организации, процесс возникновения механизмов, обеспечивающих устойчивость живых систем и экосистем в постоянно изменяющихся условиях нашей планеты. Именно способность экосистем поддерживать равновесие, используя для этого наследственную информацию живых организмов, и делает биосферу в целом и локальные экосистемы вещественно-энергетическими системами в полном смысле.

Русский геоботаник Л.Г. Раменский в 1910 г. сформулировал принцип экологической индивидуальности видов - принцип, который является ключом к пониманию роли биоразнообразия в биосфере. Мы видим, что в каждой экосистеме одновременно совместно обитает много видов, но вот какой в этом экологический смысл, задумываемся редко. Экологическая индивидуальность видов растений, сообитающих в одном растительном сообществе в одной экосистеме, позволяет сообществу быстро перестраиваться при изменении внешних условий. Например, в засушливое лето в данной экосистеме главную роль в обеспечении биологического круговорота играют особи вида А, которые более приспособлены к жизни при дефиците влаги. Во влажный год особи вида А оказываются не в оптимуме и не могут обеспечить биологический круговорот в изменившихся условиях. В этот год главную роль в обеспечении биологического круговорота в данной экосистеме начинают играть особи вида Б. Третий год оказался более прохладным, в этих условиях ни вид А, ни вид Б не могут обеспечить полное использование экологического потенциала данной экосистемы. Но экосистема быстро перестраивается, так как в ней имеются особи вида В, которые не нуждаются в теплой погоде и хорошо фотосинтезируют при пониженной температуре.

Каждый вид живых организмов может существовать в некотором диапазоне значений внешних факторов. За пределами этих значений особи вида погибают. На схеме мы видим пределы выносливости (пределы толерантности) вида по одному из факторов. В этих пределах имеется зона оптимума , наиболее благоприятная для вида, и две зоны угнетения. Правило Л.Г. Раменского об экологической индивидуальности видов утверждает, что пределы выносливости и зоны оптимумов у разных видов, обитающих совместно, не совпадают.

Если мы посмотрим, как обстоят дела в реальных экосистемах Приморского края, то увидим, что в хвойно-широколиственном лесу, например, на участке в 100 кв. метров произрастают особи 5-6 видов деревьев, 5-7 видов кустарников, 2-3 видов лиан, 20-30 видов травянистых растений, 10-12 видов мхов и 15-20 видов лишайников. Все эти виды экологически индивидуальны, и в разные сезоны года, в разные по погодным условиям годы фотосинтетическая активность их сильно изменяется. Эти виды как бы дополняют друг друга, делая сообщество растений в целом экологически более оптимальным

По числу видов сходной жизненной формы, обладающих сходными требованиями к внешней среде, сообитающих в одной локальной экосистеме, можно судить о том, насколько стабильны условия в этой экосистеме. В стабильных условиях таких видов, как правило, будет меньше, чем в условиях не стабильных. Если погодные условия в течение ряда лет не изменяются, то надобность в большом количестве видов отпадает. В этом случае сохраняется вид, который в этих стабильных условиях самый оптимальный из всех возможных видов данной флоры. Все остальные постепенно элиминируют, не выдержав с ним конкуренции.

Схема цепей питания и потоков вещества и энергии в экосистеме тундры (Н.П. Наумов, 1963). Благодаря большому разнообразию видов данная экосистема может быстро отреагировать на изменения во внешней среде, при этом изменится численность видов - одни виды станут обильнее, другие, напротив, снизят свою численность. Но те и другие из экосистемы не исчезнут, при возвращении прежних условий все может восстановиться в прежних пропорциях.


В природе мы находим массу факторов или механизмов, обеспечивающих и поддерживающих высокое видовое разнообразие локальных экосистем. В первую очередь, к таким факторам следует отнести избыточное размножение и перепроизводство семян и плодов. В природе семян и плодов производится в сотни и тысячи раз больше, чем это необходимо, чтобы восполнить естественную убыль в связи с преждевременной гибелью и умиранием от старости.

Благодаря приспособлениям к распространению плодов и семян на большие расстояния, зачатки новых растений попадают не только на те участки, которые благоприятны для их произрастания сейчас, но и на такие, условия которых неблагоприятны для роста и развития особей данных видов. Тем не менее, эти семена здесь прорастают, какое-то время существуют в угнетенном состоянии и гибнут. Так происходит до тех пор, пока экологические условия стабильны. Но если условия изменяются, то прежде обреченные на гибель проростки несвойственных этой экосистеме видов начинают здесь расти и развиваться, проходя полный цикл своего онтогенетического (индивидуального) развития. Экологи говорят, что в природе (читай, в биосфере) существует мощное давление разнообразия жизни на все локальные экосистемы.

Общий генофонд растительного покрова ландшафтного района – его флора- локальными экосистемами этого района используется наиболее полно именно благодаря давлению биоразнообразия. При этом локальные экосистемы в видовом отношении становятся более богатыми. При их формировании и перестройках экологический подбор подходящих компонентов осуществляется из большего количества претендентов, диазачатки которых попали в данное местообитание. Таким образом, вероятность формирования экологически оптимального растительного сообщества увеличивается.

На этом графике (Вилли, 1966) видно, как синхронно изменяется численность зайца (кривая 1) и численность рыси (кривая 2) в одной из экосистем. По мере увеличения численности зайца с некоторым запаздыванием начинает расти численность рыси. Увеличив свою численность рысь оказывает угнетающее воздействие на популяцию зайца. Численность зайца при этом сокращается, рыси не могут обеспечить себя пропитанием и уходят из данной экосистемы, или погибают. Снижается пресс со стороны рыси и численность зайца возрастает. Чем меньше в экосистеме видов хищников и видов растительноядных животных, тем более резкими бывают колебания их численности, тем труднее экосистеме сохранять свое равновесие. При большом числе видов жертв и видов хищников (см. предыдущую схему) колебания численности имеют значительно меньшую амплитуду.

Таким образом, фактором устойчивости локальной экосистемы является не только разнообразие видов, обитающих в этой локальной экосистеме, но и разнообразие видов в соседних экосистемах, из которых возможен занос диазачатков (семян и спор). Сказанное относится не только к растениям, ведущим прикрепленный образ жизни, но еще в большей степени к животным, могущим перемещаться из одной локальной экосистемы в другую. Многие особи животных, не принадлежа конкретно ни к одной из локальных экосистем (биогеоценозов), тем не менее играют важную экологическую роль и участвуют в обеспечении биологического круговорота сразу в нескольких экосистемах. Мало того, они могут в одной локальной экосистеме отчуждать биомассу, а в другой выбрасывать экскременты, стимулируя рост и развитие растений в этой второй локальной экосистеме. Порой такой перенос вещества и энергии из одних экосистем в другие может быть чрезвычайно мощным. Этот поток связывает между собой совершенно разные экосистемы.

Так, например, проходные рыбы, накапливая свою биомассу в море, идут на нерест в верховья рек и ручьев, где после нереста гибнут и становятся пищей для большого числа видов животных (медведи, волки, многие виды куньих, многие виды птиц, не говоря о полчищах беспозвоночных). Эти животные кормятся рыбой и выбрасывают свои экскременты в наземных экосистемах. Таким образом, вещество из моря мигрирует на сушу вглубь материка и здесь ассимилируется растениями и включается в новые цепи биологического круговорота.

Прекратите заходы в реки Дальнего Востока на нерест лососевых рыб, и через 5-10 лет вы увидите, как сильно изменится численность большинства видов животных. Изменится численность видов животных, и, как следствие, начнутся перестройки в растительном покрове. Снижение численности хищных видов животных приведет к увеличению поголовья травоядных животных. Быстро подорвав свою кормовую базу, травоядные животные начнут гибнуть, среди них распространятся эпизоотии. Сократится численность растительноядных животных, и будет некому распространять семена одних видов и поедать биомассу других видов растений. Одним словом, при прекращении захода в реки красной рыбы на Дальнем Востоке начнется серия перестроек во всех звеньях экологических систем, удаленных от моря на сотни и даже тысячи километров.

А эти графики (Г.Ф. Гаузе, 1975) показывают, как в одной экосистеме изменяется численность инфузории туфельки (одноклеточное животное) (кривая 1) и хищной инфузории, питающейся инфузорией туфелькой (кривая 2). Два верхних графика - экосистема замкнутая и в пространстве ограниченная: а - у инфузории туфельки нет убежища; б - у инфузории туфельки есть убежище. Нижние графики (в) - экосистема открытая, при наступлении неблагоприятных условий и тот и другой вид могут спрятаться или уйти в другую систему. При наступлении же благоприятных условий и тот и другой вид могут вернуться.

К сожалению, экологи пока не могут смоделировать поведение реальных экосистем в условиях изменения определенных экологических факторов. И дело здесь не только в чрезвычайной сложности экологических систем и отсутствии достаточной информации об их составе. В экологии отсутствует теория, которая позволяла бы проводить такое моделирование. В связи с этим, при мощном воздействии на экосистемы требуется большая осторожность и следование правилу: «Прежде чем оказывать воздействие на экосистему и выводить ее из состояния равновесия, семь раз отмерь» и ... не отрезай - откажись от этого воздействия. Двадцатый век убедил нас в том, что охранять природные экосистемы, поддерживая их в равновесном состоянии, куда разумнее, чем переделывать эти экосистемы, пытаясь их оптимизировать.

Следует сказать, что для поддержания равновесия в локальных экосистемах и для их биогеохимической оптимизации важно не таксономическое разнообразие само по себе по принципу «чем больше видов, тем лучше», а разнообразие функциональное , или разнообразие экобиоморф. Мерой функционального разнообразия экосистемы является число экобиоморф и синузий растений, животных, грибов и микроорганизмов. Мерой таксономического разнообразия является число видов, родов, семейств и других высших таксонов.

Разнообразие видов и разнообразие жизненных форм или экобиоморф - это далеко не одно и то же. Продемонстрирую это на таком примере. На лугу видов, родов и семейств растений может обитать в 2-3 раза больше, чем в темнохвойном лесу. Однако в пересчете на экобиоморфы и синузии окажется, что биоразнообразие темнохвойного леса как экосистемы значительно выше, чем биоразнообразие луга как экосистемы. На лугу мы имеем 2-3 класса экобиоморф, а в темнохвойном лесу 8-10 классов. На лугу видов много, но все они относятся либо к классу экобиоморф многолетние мезофитные летнезеленые травы, либо к классу однолетние травы, либо к классу зеленые мхи. В лесу же разными классами экобиоморф являются: темнохвойные деревья, листопадные деревья, листопадные кустарники, листопадные кустарнички, многолетние мезофитные летнезеленые травы, зеленые мхи, эпигейные лишайники, эпифитные лишайники.

Биоразнообразие организмов в биосфере не исчерпывается разнообразием таксонов и разнообразием экобиоморф живых организмов. Например, мы можем попасть в район, который целиком занят одной локальной элементарной экосистемой - верховым болотом, или сырым ольховым лесом в устье большой реки. В другом районе на такой же по площади территории мы встретим не менее 10-15 типов локальных элементарных экосистем. Экосистемы хвойно-широколиственного леса на дне долин рек закономерно сменяются здесь экосистемами кедрово-дубовых разнотарвно-кустарниковых лесов на южных пологих склонах гор, лиственично-дубовых разнотравных лесов на северных пологих склонах гор, елово-пихтовых лесов в верхней части северных крутых склонов гор и экосистемами остепненных лугов и куртинной растительности на крутых южных склонах гор. Нетрудно понять, что такое внутриландшафтное разнообразие экосистем определяется не только разнообразием слагающих их видов и экобиоморф, но и разнообразием экологического фона ландшафта , связанного в первую очередь с разнообразием форм рельефа, разнообразием почв и подстилающих их горных пород.

Далеко не все виды могут разделяться на дочерние, или трансформироваться в новые виды. Очень часто при резких изменениях климатических, или иных экологических условий виды вымирают, так как не могут найти себе подходящих местообитаний в перестроившейся биосфере. Такие виды не могут перестраиваться на прежнем месте, но они не могут в силу тех или иных причин и откочевать на новые места. Такие виды становятся редкими, а затем и вовсе вымирают. В геологической истории Земли известны эпохи, когда вымирание видов носило просто катастрофический характер. В эти эпохи происходили мощные перестройки всей биосферы. Так в свое время вымерли многие виды пресмыкающихся, например, динозавры, или почти все виды гигантских папоротников, многие виды голосеменных. Всего 5-10 тыс. лет назад на Земле вымерли последние мамонты, около 200 лет назад из биосферы Земли исчезла Стеллерова корова - вид морских млекопитающих, обитавший в морях северной Пацифики.

Процессы вымирания видов в биосфере компенсируются процессами видообразования. Если баланс этих двух процессов нарушится в пользу вымирания, то Землю, скорее всего, ждет судьба Венеры – то есть атмосфера из углекислого газа и паров воды, температура на поверхности порядка +200 градусов по Цельсию, испарившиеся океаны и моря. Жизнь на белковой основе в таких условиях, разумеется, просто невозможна. Став мощной геологической силой, человечество обязано взять на себя ответственность не только за будущее своих детей и внуков, но и за будущее всей биосферы. А это будущее во многом будет зависеть от того, насколько процесс вымирания видов в биосфере Земли отстает от процесса образования новых видов.

На этой фотографии (Южное Забайкалье) мы видим, что биологическое разнообразие экосистемы ландшафтного района зависит не только от количества видов и жизненных форм растений и животных, обитающих в этом районе. Неоднородность рельефа создает условия для формирования в одном ландшафте на разных элементах рельефа разных локальных экосистем. Экосистема луга в пойме речки сменяется экосистемой степи на выпуклых склонах гор южной и восточной экспозиции, экосистемами березово-листенничных лесов на вогнутых склонах северной экспозиции и экосистемами засухоустойчивых кустарников - харганатов) на каменистых склонах южной экспозиции.

В заключение этого раздела хочу обратить внимание на то, что к факторам, обеспечивающим высокое биоразнообразие экосистем, относятся процессы миграции видов с соседних территорий из других ландшафтных районов и других природных зон, а также процессы автохтонного видообразования на месте, которые непрерывно происходят в природе, то убыстряясь в эпохи биосферных перестроек, то замедляясь в эпохи стабилизации климата. Процессы видообразвания протекают очень медленно. Так, например, для разделения родительского вида на два дочерних, при наличии между двумя популяциями барьера, не позволяющего особям этих двух популяций скрещиваться друг с другом, природе требуется как минимум 500 тыс. лет, а чаще порядка 1 миллиона лет. Отдельные виды в биосфере могут сохраняться 10 и более миллионов лет, практически не изменяясь за это время.



Русское ботаническое обществоBotanic Garden Conservation InternationalThe Plant ListPlantariumEast Asia Botanic Garden NetworkСовет ботанических садов РоссииRussian electronic libraryБиблиотека ШипуноваРоссийская Академия наукРейтинг@Mail.ru
Вверх