Гидросфера — это водная оболочка Земли. К ней относят: поверхностные и подземные воды, прямо или косвенно обеспечивающие жизнедеятельность живых организмов, а также вода, выпадающая в виде осадков. Вода занимает преобладающую часть биосферы. Из 510 млн. км2 общей площади земной поверхности на Мировой океан приходится 361 млн. км2 (71%). Океан — главный приемник и аккумулятор солнечной энергии, поскольку вода обладает высокой теплопроводностью. Основными физическими свойствами водной среды являются ее плотность (в 800 раз выше плотности воздуха) и вязкость (выше воздушной в 55 раз). Кроме того, вода характеризуется подвижностью в пространстве, что способствует поддержанию относительной гомогенности физических и химических характеристик. Водные объекты характеризуются температурной стратификацией, т.е. изменением температуры воды по глубине. Температурный режим имеет существенные суточные, сезонные, годовые колебания, но в целом динамика колебаний температуры воды меньше, чем воздуха. Световой режим воды под поверхностью определяется ее прозрачностью (мутностью). От этих свойств зависит фотосинтез бактерий, фитопланктона, высших растений, а следовательно, и накопление органического вещества, которое возможно лишь в пределах эвфотической зоны, т.е. в том слое, где процессы синтеза преобладают над процессами дыхания. Мутность и прозрачность зависят от содержания в воде взвешенных веществ органического и минерального происхождения. Из наиболее значимых для живых организмов абиотических факторов в водных объектах следует отметить соленость воды — содержание в ней растворенных карбонатов, сульфатов, хлоридов. В пресных водах их мало, причем преобладают карбонаты (до 80%). В океанической воде преобладают хлориды и отчасти сульфаты. В морской воде растворены практически все элементы периодической системы, включая металлы. Другая характеристика химических свойств воды связана с присутствием в ней растворенного кислорода и диоксида углерода. Особенно важен кислород, идущий на дыхание водных организмов. Жизнедеятельность и распространение организмов в воде зависят от концентрации ионов водорода (рН). Все обитатели воды — гидробионты приспособились к определенному уровню рН: одни предпочитают кислую, другие — щелочную, третьи — нейтральную среду. Изменение этих характеристик, прежде всего в результате промышленного воздействия, ведет к гибели гидробионтов или к замещению одних видов другими.
2. Трофические цепи и трофические сети.
Живые организмы, входящие в состав биоценоза в экосистеме, неодинаковы с точки зрения специфики ассимиляции ими вещества и энергии. В отличие от растений и бактерий животные не способны к реакциям фото- и хемосинтеза, а вынуждены использовать солнечную анергию опосредованно — через органическое вещество, созданное фото- и хемосинтетиками. Таким образом, в биоценозе образуется цепочка последовательной передачи вещества и эквивалентной ему энергии от одних организмов к другим или так называемая трофическая цепь (от греческого “трофе” — питаюсь).
Поскольку растения строят свой организм без посредников, их называют самопитающимися, или автотрофами. Так как будучи автотрофами, они создают первичное органическое вещество из неорганического, они являются продуцентами. Организмы, которые не могут строить собственное вещество из минеральных компонентов, используют органику, созданную автотрофами, употребляя их в пищу. Их называют гетеротрофами, что означает “питаемый другими”, а также консументами (от лат. “консумо” — потребляю). Однако далеко не все организмы для удовлетворения своих физиологических потребностей ограничиваются потреблением растительной пищи, строя белки своего тела непосредственно из белков растений. Плотоядные животные используют животные белки со специфическим набором аминокислот. Они тоже являются консументами, но, в отличие от растительноядных, — консументами вторичными, или второго порядка. Но и на этом трофическая цепь не всегда заканчивается, так как вторичный консумент может служить источником питания для консумента третьего порядка и т.д. Но в одной трофической цепи не бывает консументов выше пятого порядка вследствие рассеяния энергии.
В процессе питания на всех трофических уровнях появляются “отходы”. Зеленые растения ежегодно частично или полностью сбрасывают листья. Значительная часть организмов по тем или иным причинам постоянно отмирает. В конечном итоге так или иначе созданное органическое вещество должно частично или полностью замениться. Эта замена происходит благодаря особому звену трофической цепи — редуцентами (от лат. “редукцио” — возврат). Эти организмы — преимущественно бактерии, грибы, простейшие, мелкие беспозвоночные — в процессе жизнедеятельности разлагают органические остатки всех трофических уровней продуцентов и консументов до минеральных веществ. Минеральные вещества, а также диоксид углерода, выделяющийся при дыхании редуцентов, вновь возвращаются к продуцентам.
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 — автотрофныехемосинтетики 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.