Динамика экосистем, понятие сукцессии

Пройдем по речной долине. Вот место, где река изменила свое русло и оставила чистый песок. Он кажется безжизненным, но чуть поглубже во влажной его части кипит бурная жизнь. Тут обитают многие микроорганизмы, примитивные кольчатые черви и такие же червеобразные, рачки и' водяные клещи. На поверхности песка можно увидеть пауков.' . Освободившаяся от воды площадь постепенно, зарастает: дан старт развитию наземной растительности.
Сначала появляются корневищные травы, их дополняют мелкие растения, затем появляются кустарники, чаще всего ивы, образующие куртины и сплошные заросли. Проходят годы и, если не вмешивается человек со своим хозяйством, на месте речного песка и гравия растут лиственные леса, а в таежной полосе
- густые приречные ельники. Травяная экосистема, занявшая пески, закономерно сменилась кустарниковой, а та - лесом.

Теперь совершим экскурсию в лес. Вот большое поле - зарастающая дикими травами залежь. На бедных землях Подмосковья она нередко покрывается аптекарской ромашкой, лебедой, вьюнком и другими сорняками. Постепенно их сменяют корневищные злаки, а потом и плотнокустовые их родичи. Травяной покров стелется ковром. Но то тут, то там видны уже поднимающиеся проростки кустарников вперемежку с возобновлением лиственных порол. Березу и осину, а чаще всего они преобладают в таежной полосе, постепенно сменяет сосна, вначале образуется смешенный лес, затем возникает почти чистый сосняк, через многие десятилетия обычно вытесняемый елью. В Сибири под пологом сосны вырастает кедр и пихта. иногда ель, и сосняки сменяет кедрово- пихтовая или еловая тайга. Подобные ряды смен лесной растительности наблюдаются всюду - после рубок леса, пожаров, при зарастании брошенных нолей (рис. 1). Иногда на месте кустарников, а то и на фазе трав площадь зарастает сразу сосной и образуется сосняк. В полосе широколиственных лесов конечной фазой смен оказывается дубовый лес. Сами же смены - экосистем носят название сукцессии (лат. сукцессио - преемственность, наследование).

Рис. 1. Схема послепожарной сукцессии со сменой пород в сибирской кедрово-пихтовой тайге (юг Средней Сибири)

Числа в прямоугольниках - колебания в длительности прохождения фаз сукцессии. (В скобках указаны сроки их окончания)

Не всегда ход сукцессии столь прямолинеен как показано на рис. 1.
Например, в липняках Горной Шорни (в Западной Сибири) после их уничтожения он составлен фазой трав, затем быстро отрастает прикорневая поросль дни, но они не способны сформировать полноценный древостой. Под липовой порослью образуется пихтовый молодняк, с ходом времени превращающийся в пихтовую тайгу. Под ее пологом образуется семенное поколение лип, постепенно вытесняющее пихту.

Еще сложнее идут сукцессионные смены в Южной полосе Средней России
(рис. 2). Здесь они осложняются древним воздействием людей, образованием луговых параклимаксов и узловых сообществ, лишь иногда переходящих в климаксовые ценозы. К тому же в этом регионе наблюдается поликлимакс, то есть климатические условия формирует не один тип растительности и почв, а по крайней мере два - таежного характера с елью и широколиственных лесов из дуба, вяза, клена, ясеня. В черноземной лесостепной полосе наблюдается как бы перемещение степных и лесных ценозов, если не пространственно, то функционально. Лес и степь сменяют друг друга в вековой периодике. В результате мощность черноземов под лесом не меньше, чем под степной растительностью, и облесение местными лесными породами не ведет к их деградации. Приход чуждых, случайно акклиматизированных лесных пород, в частности американского клена, угрожает нарушить веками сложившееся здесь равновесие между лесом и степью, выщелочить черноземы, заменить их лесными почвами.

Существуют сукцессионные смены и в степях, пустынях - во всех экосистемах. Конечной фазой сукцессии в Российско-Украинской степи нашего времени служит травяной покров с очень толстым слоем ветоши. Среди трав образуются древесно-кустарниковые куртины. Вероятно в прошлом, когда по степи бродили многочисленные стада тарпанов и других копытных животных, лик степи был иным.

Сукцессии в лесах возникают по различным причинам - в результате естественно возникающих пожаров, значительных буреломов, мощных паводков, но чаще всего в результате обезлесивания местности человеком. Смены одних экосистем другими тянутся десятилетиями и веками. Но есть еще более длительные перемены растительности, связанные с саморазвитием условно конечной фазы развития процесса - климакса (гр. климакс - лестница).
Например, густые кедровники Сибири нередко заболачиваются, затем происходит их разрежение, сопровождающееся уменьшением влажности и даже - возникновением в них местного климата (биоклимата, или фитоклимата), напоминающего степной. Такие парковые кедровники вновь зарастают более густым лесным покровом и заново начинается прецесс заболачивания. Такие циклические процессы называют автосукцессиями (гр. аутос - сам).

Рис. 2. Схема сукцессионных смен в Средней России. Промежуточные фазы сукцессии (смешанных лесов) по показаны. Числа указывают срок формирования сообщества от момента "нулевой" фазы сукцессии - пожара или вырубки леса.

Изменения растительности и сопутствующей ей жизни возникают и под воздействием глобальных изменений - колебаний солнечной активности, климатических перемен. Такие сукцессии носят название циклических
(вековых). Наконец, самые медленные изменения экосистем - эволюционные сукцессии, связанные с общей эволюцией биосферы планеты.

Одни фазы сукцессии длятся немногие годы и десятилетия и все средообразующие растения успевают дать всего одно или несколько поколений.
Такие фазы называют кратновременнопроизводными. Другие фазы протекают многими десятилетиями, средообразующие растения (их называют эдификаторами от лат. эдификатор - строитель) дают за этот срок многие поколения, а фазы называют длительнопроизводными.

Не везде условия жизни на планете остались чисто природными. Местами они очень глубоко и необратимо изменены человеком. Тут, в этих условиях, развитие сукцессии не достигает природной условно конечной фазы климакса, а лишь природно-антропогенного "финала" - узловых экосистем, или сообществ.
Кое-где люди настолько часто нарушают природу, что такие непрерывно нарушаемые ценозы делаются как бы конечными в цепи сукцессии. Например, луг в долине реки, где постоянно пасется скот, не зарастает кустарниками и не может им зарасти, так как кусты и даже их зачатки бывают уничтожены животными. Такие искусственно устойчивые образования называют параклимаксами (гр. пара - возле, при).

Сукцессии протекают по определенным законам. Каждая их фаза изменяет среду настолько, что как бы вытесняет сама себя. На ее место приходит другая экосистема, тоже исчерпывающий экологические возможности среды и сменяемая последующей. Одновременно меняются биотоп и сопутствующий ему биоценоз. И процесс идет до тех пор, пока ряд экосистем не достигает равновесия со средой - климакса. Дальнейшие изменения возможны лишь в рамках циклических смен. Таким образом на жизнепригодном субстрате биоценозы формируют закономерный ряд экосистем, ведущий к наиболее устойчшюп в данных природных условиях климаксовой фазе, а при природно- антропогенном режиме узловой экосистеме или параклимаксу. В этом смысл принципа сукцессионного замещения. Чем глубже антропогенная нарушенность среды какою-то пространства, тем на более ранних фазах сукцессии заканчивается развитие. Это правило степени завершенности сукцессии.
Действительно, за узловым сообществом могла бы следовать фаза климакса.
Параклимаксы возникают даже на самых ранних фазах сукцессии. Наш приречный песок, если его постоянно вытаптывают отдыхающие, так и останется голым песком - самой ранней фазой сукцессии.

Фазы сукцессии более или менее закономерно следуют друг за другом: травы, кустарники, лиственный лес, хвойный лес - в полосе тайги. Но никогда, скажем, в последовательности - хвойный лес, кустарники, травы, или лиственный лес - кустарники - хвойный лес (если идет действительно, природная сукцессия). Эта закономерность сходна с наблюдаемой в индивидуальном развитии - никогда бабочка не вылетит из гусеницы или яйца, всегда это происходит из куколки. Закон последовательности фаз развития един для всего органического мира.

В ходе сукцессии на разных ее фазах меняются свойства образующихся экосистем. Сначала число видов в экосистемах увеличивается, затем снижается. Закономерность увеличения числа видов на ранних и средних фазах сукцессии и падение их разнообразия при приближении к климаксу носит название принципа сукцессионного "очищения". В старом глухом лесу мало видов - трав, кустарников, немного и животных, часто почти нет грибов. В таком лесу все биогеохимические процессы замедляются (закон сукцессионного замедления), при этом все больше энергии, поступающей в экосистему, идет на ее поддержание, биомасса достигает возможного максимума, а биологическая продуктивность снижается до какого-то минимального уровня. Это свойство зрелых экосистем обобщенно называют принципом, или правилом "нулевого максимума". Параллельно упомянутым процессам биохимические циклы с ходом сукцессии делается все более замкнутыми. На поверхности планеты, не защищенной растительностью, на глади нашего речного песка они, практически, разомкнуты, а в тропических лесах их замкнутость достигает значения
0,0001. В ходе сукцессии растительности на упомянутом песке с момента начала его зарастания травами за 10 лет степень замкнутости бногеохимических круговоротов увеличивается с нуля до 90%.

В биологии хорошо известен закон необратимости эволюции бельгийского палеонтолога Л.Долло - организм не может вepнуться к прошлому состоянию, уже осуществленному в ряду его предков, даже вновь попав в среду их обитания. Например, вторично приспособившиеся к жизни в водной среде ихтиозавры или киты сохранили все черты пресмыкающихся и млекопитающих и лишь внешнее, а не функциональное сходство со своими далекими эволюционными предками - рыбами. Закономерность, аналогичная закону Л.Долло, существует и в ряду развития экосистемы. Это закон эволюционно-экологической необратимости - экосистема, потерявшая часть своих элементов или сменившаяся другой в результате дисбаланса экологических компонентов, не может вернуться к первоначальному своему состоянию в ходе сукцессии, если в ходе изменений произошли эволюционные перемены в ее экологических составляющих или группа видов исчезла из нее навсегда или на (системно) длительный срок. Если какой-то вид уничтожен человеком, экосистемы, куда он входил, будут другими. И это изменение безвозвратно. Даже если вид будет через какое-то время реакклиматизирован - возвращен в экосистему, все равно она будет иной: за время отсутствия вида в ней сложились новые связи, восстановить их прежнюю сеть практически бывает невозможно - в один и тот же поток нельзя войти дважды. Это подметили еще античные философы.