Разные уровни питания в экосистеме называют трофическими уровнями. Первый трофический уровень образуют продуценты, второй — первичные консументы, третий — вторичные консументы и так далее. Многие животные питаются более, чем на одном трофическом уровне, поедая как растения, так и первичных консументов или как первичных консументов, так и вторичных. Таким образом, в экологической системе компоненты биоценоза выполняют различные экологические роли: фитоценоз автотрофен и состоит из продуцентов, в биоценоз входят гетеротрофные консументы пяти уровней и редуценты, в составе микробиоценоза — автотрофные хемосинтетики и гетеротрофные редуценты. Но все они представляют собой звенья трофических цепей.
Разные трофические цепи, в свою очередь, связаны между собой общими звеньями, образуя очень сложную систему, называемую трофической сетью.
Трофическая цепь в биогеоценозе есть одновременно цепь энергетическая, т.е. последовательный упорядоченный поток передачи энергии Солнца от продуцентов ко всем остальным звеньям. Поток энергии через экосистему можно измерить в различных ее точках, установив тем самым, какое количество солнечной энергии содержится в органических веществах, образованных в процессе фотосинтеза; какую часть энергии, заключенной в растительном материале, может использовать растительноядное животное; какую часть этой энергии успевает использовать растительноядное, прежде, чем его съедает плотоядное, и так далее, от одного трофического уровня к другому.
3. Антропогенная деятельность как источник помех
В настоящее время на Земле практически не осталось экологических систем, не подверженных в той или иной мере влиянию человека. Влияние человека на экосистемы в процессе техногенеза весьма интенсивно, поскольку своей деятельностью он создает направленные помехи в механизмах естественной обратной связи. Они отличаются от естественных помех и неявляются инструментом отбора, поскольку в процессе эволюции организмы к ним не приспособились и приспособиться, как правило, не успевают, за исключением видов, дающих десятки поколений в год (например, растительноядные клещи при постоянном воздействии ядохимикатов способны образовывать невосприимчивые к токсическому воздействию расы за счет отбора особей, наследственно устойчивых к данному веществу, иначе говоря — мутантов).
Отклонение от нормы некоторых параметров среды в результате антропогенного воздействия зачастую выходят за пределы, отвечающие нормам реакции организмов на эти параметры. Так, применение гербицидов (веществ, уничтожающих сорняки) вносит помехи в биогеоценоз в целом. Трава, являющаяся и продуцентом, и средообразователем, и источником энергии для последующих трофических звеньев, погибает под воздействием гербицидов. С ее гибелью исчезают экологические ниши насекомых. Все это прямо сказывается на их популяциях: нарушается режим обитания, питания, часть особей погибает, а оставшаяся часть оказывается в условиях, неблагоприятных для размножения, и возможность свободного и случайного обмена генетической информацией (пан-миксия) становится ограниченной. Наконец, и на уровне отдельной особи происходят необратимые изменения: часть насекомых гибнет из-за ядовитости гербицидов, часть оказывается к ним толерантной, а у части отмечаются изменения в хромосомах (мутации), меняющие наследственность. В рассмотренном примере наблюдаются разрывы в каналах обратной связи при передаче информации от особи к популяции, а от нее к биоценозу.
Применение ядохимикатов создает так называемые частичные помехи, которые разрушают лишь отдельные звенья в отдельных трофических и энергетических цепях, не разрушая пищевых сетей в целом. К полной деградации всей экологической системы они обычно не приводят. Выброс в атмосферу ксенобиотиков (чуждых окружающей среде веществ) или превышение естественного уровня некоторых компонентов атмосферы меняет соотношение газов воздуха и создает помехи реакциям фотосинтеза, а в некоторых случаях просто убивает листву. Повышение содержания в почве индустриальных райнов марганца, хрома, никеля, меди, кобальта, свинца снижает первичную продуктивность. Подобные помехи ведут к разрушению экосистемы в целом, так как уничтожается основной трофический уровень — биопродуценты. В этом случае говорят о предельных помехах. Вырубка леса или распашка целинной степи полностью ликвидируют экосистемы и в лучшем случае приводит к возникновению на их месте новых, а в худшем — к эрозии почв.
За разрушением экосистем в конечном итоге может последовать и разрушение биосферы в целом или резкое снижение ее продуктивности. Вырубка лесов, эрозия почв, замещение ландшафтов горными выработками и урбанизация снижают общую биомассу фотосинтетиков и нарушают непрерывность биотического круговорота на значительных террито риях. Помехи могут действовать не только быстро, но и постепенно, прерывая поток информации между отдельными звеньями пищевых цепей.С экологических позиций антропогенное загрязнение окружающей среды представляет собой комплекс помех в экосистемах. Бездействующих на потоки энергии и информации в пищевых (энергетических) цепях. Эти помехи не являются периодическими и часто превышают нормы реакции живых организмов, поэтому в отличие от естественных помех они ведут не к естественному отбору, а к массовой гибели организмов.
Загрязнение среды — сложный многообразный процесс. Отходы производства оказываются обычно там, где их раньше не было. Многие из них химически активны и способны взаимодействовать с молекулами, входящими в состав тканей живого организма.
Непосредственными объектами загрязнения (акцепторами) служат основные компоненты биотопа (местообитание биотического сообщества): атмосфера, гидросфера, литосфера. Косвенными объектами загрязнения (жертвами) являются составляющие биоценоза — растения, животные, микроорганизмы.
Источники загрязнения весьма разнообразны: среди них промышленные предприятия, теплоэнергетический комплекс, транспортные и бытовые отходы, отходы животноводства, а также химические вещества, намеренно вносимые человеком в экосистемы для защиты от вредителей, болезней и сорняков.
Среди ингредиентов загрязнений — тысячи химических веществ, особенно металлы и оксиды, токсины, аэрозоли. Загрязнителем может быть любой физический агент, химическое вещество и биологический вид (микроорганизмы), попадающие в окружающую среду или возникающие в ней в количествах, выходящих за рамки своей обычной концентрации — предельных естественных колебаний или среднего природного фона в рассматриваемое время.
Различают антропогенные загрязнители, разрушаемые биологическими процессами и неразрушаемые ими (стойкие). Первые входят в естественные круговороты веществ и поэтому быстро исчезают или подвергаются разрушению биологическими агентами. Вторые не входят в естественные круговороты и накапливаются в пищевых цепях и в биотопах.
Загрязнение означает не просто внесение в атмосферу, почву и воду тех или иных чуждых им компонентов. В любом случае воздействию подвергается биогеоценоз в целом. Кроме того, избыток или недостаток одних веществ в природной среде или просто присутствие в ней других веществ означает изменение режимов экологических факторов или их составов, отклоняющихся от требований экологической ниши того или иного организма (или звена в пищевой цепи). При этом нарушаются процессы обмена веществ, снижается интенсивность ассимиляции продуцентов, а значит, и продуктивность биоценоза в целом.
Итак, загрязнение окружающей среды есть внесение в экологическую систему (биогеоценоз) не свойственных ей живых или неживых компонентов или структурных изменений, прерывающих круговорот веществ, их ассимиляцию, поток энергии, вследствие чего экосистема разрушается или снижает свою продуктивность.
Отрицательное влияние изменения качества внешней среды на метаболизм живых организмов получило название “экологической ловушки”. Наиболее яркими примерами являются воздействие на физиологические процессы в организме человека метилртути (болезнь “Минамата”), а также влияние некоторых пестицидов.
В свое время создание высокоэффективного ядохимиката для борьбы с вредителями растений — дихлордифенилтрихлорэтана (ДДТ) — было отмечено Нобелевской премией, поскольку его применение сулило реальную возможность сохранять урожайность агроценозов и лесные насаждения. Мировое производство ДДТ в течение почти 30 лет достигало ежегодно 100 тыс.т. Препараты ДДТ создавали помехи в экосистемах для экономически вредных консументов и защищали урожаи. Но и сам препарат, и некоторые его примеси помимо токсичности для теплокровных животных, способны прогрессивно накапливаться в звеньях пищевых цепей. При содержании в воде препарата ДДТ в дозировке 0,0014 частей на миллион его содержание в планктоне составляет уже 5,0 частей на миллион, а в мышцах рыб — 221 часть, т.е. при прохождении его по трофической цепи происходит концентрирование более чем в 10 тыс. раз! Когда этот факт был установлен, практически все страны мира (за исключением Китая и некоторых других развивающихся стран) подписали Конвенцию о запрещении производства и применения ДДТ.
Последствия загрязнения далеко не всегда ощущаются сразу. Скачкообразным проявлениям загрязнения нередко предшествуют скрытые. Важна своевременная косвенная индикация загрязнения в начальные моменты его воздействия.