Экологическую систему определяют по-разному (но суть этих определений одна и та же):
«Любая единица (биосистема), включающая все совместно функционирующие организмы (биотическое сообщество) на данном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями, представляет собой экологическую систему, экосистему…»
«Экосистема — это часть биосферы, где существует хорошо упорядоченный обмен энергией и материалами между организмами и окружающей средой».
Английской эколог А. Тенсли, который и ввел в обиход термин «экосистема», определил ее как «взаимодействие живого населения с окружающей средой обитания».
Академик В. М. Сукачев в 1940 г. дал такое определение экосистемы (он употреблял термин «биогеоценоз»): «Однотипное растительное сообщество вместе с населяющим его животным миром, включая микроорганизмы, с соответствующим участком земной поверхности, с особыми свойствами микроклимата, геологического строения почвы и водного режима». Правда, В. М. Сукачев делал различие между экосистемой и биогеоценозом: «Биогеоценозы, в отличие от экосистемы — дискретные биохорологические единицы, в той или иной степени отделенные друг от друга различными границами».
Таким образом, экологическая система включает в себя:
1. Неорганические вещества (С, N, СО2, Н2О и др.). Они находятся в непрерывном круговороте веществ в природе. Это косное вещество.
2. Органические соединения (белки, углеводы, липиды, гумусовые вещества и т. д.). Эти органические вещества связывают между собой биотическую и абиотическую части экосистемы, то есть живое и косное вещество. Органические соединения — это биокосное вещество.
3. Воздушную, водную и субстратную среду, которая включает в себя климатический режим, а также другие физические факторы. Естественно, это косное вещество.
4. Продуценты, которые могут производить пищу из простых органических веществ. Это, прежде всего, зеленые растения.
5. Консументы (как макроконсументы, так и микроконсументы). Продуценты и консументы подробно уже были рассмотрены. Ясно, что они составляют живое вещество.
Напомним, как понимал живое, косное и биокосное вещество В. И. Вернадский. Живое вещество — совокупность всех живых существ, населяющих планету (от простейших вирусов и клеточных до человека). Живое вещество характеризуется элементарным химическим составом, массой и энергией. Оно трансформирует солнечную энергию и вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот. Косное вещество — это неживое и не связанное с жизнью вещество, к которому относятся глубинные породы, выбрасываемые вулканами в процессе горообразования, газы и т. д. При контакте с живым веществом косное вещество постепенно превращается в биокосное.
Биокосное вещество — вещество, имеющее минеральную основу, которая коренным образом преобразована жизнедеятельностью организмов. К нему относится почвенный покров, плодородие которого обусловлено наличием органических веществ, а также воздух и вода. По определению самого В. И. Вернадского, это вещество, «которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами» и является «закономерной структурой из живого и косного вещества».
Вещества биокосного происхождения — это чаще всего трупы, отмершие части животных и растений, каменный уголь, нефть, торф, сланцы (в основном горючие вещества, слабо реагирующие с остальными веществами).
Имеется и космическое вещество, которое поступает из открытого космоса, главным образом в виде космической пыли, реже в виде метеоритов и еще реже в виде болидов. Оно легко «усваивается» биосферой.
В. И. Вернадский показал, что масса вещества, вовлекаемого в жизненные процессы, постепенно увеличивается в процессе эволюции биосферы (первый закон В. И. Вернадского), и скорость оборачиваемости вещества увеличивается также (второй закон).
Далее мы рассмотрим свойства и эволюцию экосистемы. Изучая экосистемы, специалисты применяют различные методы, различные подходы. Главные из них два: от общего к частному и от частного к общему. Можно рассматривать экосистему как нечто единое, не детализируя все, происходящее в ней. При этом можно изучать вход и выход в систему. Прежде всего энергии и вещества. При этом на первый план выступают общие, совокупные или, как говорят специалисты, эмерджетные свойства системы. Этот подход к изучению экосистемы как к целому называется холистическим (от греч. холос — целый).
При другом подходе специалисты изучают, как под лупой, то, что происходит внутри экосистемы, как взаимодействуют между собой отдельные организмы, виды и т. д., а также как они взаимодействуют с окружающей средой. Другими словами, это путь изучения частей, элементов экосистемы с дальнейшим обобщением данных на всю систему в целом. Это путь от частного к целому. Этот подход называют мерологическим (от греч. мерос — часть). Надо ли говорить, что оба подхода нужны, что их нельзя противопоставлять друг другу. Конечно, на разных этапах исследования ученый располагает различным объемом информации как о частях экосистемы, так и об экосистеме как о целом. В одни периоды более успешно развивались исследования, использующие второй подход (от частного к целому), в другие периоды — первый. Это естественно.
Живое вещество не является однородным. Имеются различные организмы, различные по своим свойствам, функциям и т. д. Но организмы существуют не сами по себе, по отдельности. Они образуют вместе популяции. Различные популяции образуют сообщества. Сообщества, в свою очередь, входят составной частью в экологические системы. Жизнь, функционирование популяций, сообществ и экосистем изучает экология. Но этими объектами не исчерпывается структура живого вещества. Ведь организм состоит из системы органов, а каждый орган его состоит из тканей, ткани состоят из клеток, а клетки из молекул и атомов. Эта структура живого вещества в деталях экологией не изучается (это предмет биологии и медицины), но и обойти ее, естественно, нельзя, поскольку речь идет о путях движения энергии, вещества и т. д. В этой структуре живого вещества Земли (атом, молекула, клетка, ткань, орган, система органов, организм, популяции, сообщества, экологические системы) каждое структурное звено специалисты называют уровнем организации. Они говорят: на организменном уровне, на популяционном уровне и т. д. Естественно, в структуре живого вещества выделяют генный уровень, то есть уровень генов. Он соответствует молекулярному уровню в приведенной выше схеме.
Каждая экосистема находится в непрерывном развитии (его обозначают термином сукцессия, от лат. сукцессио — преемственность, наследование). Экологическая сукцессия — это не просто развитие сообщества животных, это упорядоченный процесс развития, который не может происходить без изменения окружающей среды. В этом упорядоченном процессе развития сообщество изменяет окружающую среду так, что в новых условиях постепенно вместо старых видов образуются другие популяции, другие виды. В результате меняется характер всего сообщества. Этот упорядоченный процесс развития на определенном этапе выходит на плато, на равновесное состояние. Имеется в виду равновесие между живым веществом (сообществом экосистемы) и биокосным и косным веществом (абиотическими компонентами экосистемы). Это плато, это равновесие является зрелой стадией экологической системы. Таким образом, развитие (сукцессия) экосистемы определяется сообществом организмов (живым веществом), а скорость развития его, конкретный характер сообщества определяется косным веществом — физической средой.
Способность биосистемы (экосистемы) сохранять состояние равновесия и противостоять изменениям окружающей среды называется гомеостазом (от греч. гомео — то же, и стасис — состояние).
Здесь речь идет не вообще о равновесии, а об устойчивом равновесии. Примером такого равновесия являются качели. Если их толкнуть (вывести из состояния равновесия), то они покачаются и в конце концов снова возвратятся в это свое исходное равновесное состояние. Такое равновесие является устойчивым. Есть равновесие и неустойчивое. Например, если камень лежит на вершине горы, он находится в состоянии равновесия. Когда мы его сдвинули к склону горы и он покатился вниз, он перестал находиться в состоянии равновесия. Дело в том, что состояние камня не было устойчиво равновесным. Он находился в состоянии неустойчивого равновесия. Оба эти равновесия нам надо иметь в виду. В настоящее время биосфера находится (будем надеяться) в состоянии устойчивого равновесия. Но мы можем так изменить окружающую среду, что это равновесие перестанет быть устойчивым, и камень покатится по склону горы вниз (разрушится озонный слой, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение разрушит атмосферу и биосферу и т. д.). Собственно, это главный вопрос экологии: определить ту границу, тот рубикон, через который переступать человек не должен, если хочет сохранить свой дом и себя. Для того, чтобы определить эту границу, и надо знать, как откликается биосфера (экосистема) на изменения окружающей среды, а это значит, что надо знать, как происходят взаимодействия внутри экосистемы, а также на ее входе и выходе.
Широко распространено представление о том, что жизнь на Земле стала развиваться, эволюционизировать потому, что предварительно были созданы необходимые для жизни физико-химические условия. Но на самом деле это неверно. Можно сказать, что жизнь сама проложила себе дорогу, сама создала для себя необходимые условия. Конечно, в течение времени менялись и формы жизни и сами эти физико-химические условия. Не кислород был дан заранее для того, чтобы смогли возникнуть организмы, а наоборот, организмы сами создали кислород. То же самое можно сказать и о нитратах, которые содержатся в морской воде. Они образовались в процессе жизнедеятельности живых организмов. Установлено, что количество нитратов в море определяется биологическим (!) круговоротом фосфора.