Vides zinības un izglītība ilgtspējīgai attīstībai

Vides zinības un izglītība ilgtspējīgai attīstībai

1.1. Zemes sistēmas: litosfēra, hidrosfēra, atmosfēra, biosfēra


Pasaule ap mums ir izkārtota noteiktā sistēmā. Dzīvie organismi un arī cilvēks var ietekmēt uz Zemes noritošos procesus, piemēram, vielu plūsmas, klimatu, ūdeņu apriti.


Vides zinātne – zinātne par vides sistēmām

Viss ir saistīts ar visu! Visi dzīvās un nedzīvās dabas elementi un procesi ir savstarpēji saistīti – tie ietekmē cits citu. Tomēr šajās neskaitāmajās sakarībās iezīmējas atsevišķu elementu vai procesu grupas, kas ir saistītas ciešāk, piemēram, pulksteņa mehānisma sastāvdaļas, datora mikroshēmas komponenti vai vienas ģimenes locekļi. Jebkuram minēto elementu kopumam piemīt noteiktas funkcijas: pulkstenis rāda laiku, dators apstrādā informāciju, ģimene audzina jaunos sabiedrības locekļus.

Savstarpēji saistītu elementu kopumu, kas veic noteiktas funkcijas, sauc par sistēmu (no grieķu val. systema – ‘vesels, sastāvošs no daļām’). Sistēmu teorija klasificē sistēmas pēc to sarežģītības pakāpes. Dabas sistēmas, kuras veido Zeme un viss, kas uz tās atrodas, ir ļoti sarežģītas sistēmas.

Pirms apmēram 4,6 miljardiem gadu, kondensējoties gāzu un putekļu mākonim starpzvaigžņu telpā, izveidojās Saule un planētas. Zeme funkcionē kā noteiktas sistēmas (sfēras): atmosfēra, hidrosfēra un litosfēra, starp kurām pastāv vielu un enerģijas plūsmas. Zemes sfēras atšķiras pēc sastāva, masas un tajās noritošajiem procesiem (1. tabula), kuros attiecīgo sfēru veidojošās vielas apmainās (piemēram, ūdens iztvaikošanas, kondensācijas, ūdeņu noteces cikls) (2. tabula).

CV_1_

1. attēls. Zeme no Kosmosa.

1. tabula

Zemes struktūras galvenie elementi


Ķīmiskie elementi

Vielas stāvoklis

Atmosfēra

N2, O2, H2O, CO2, Ar

gāzveida

Hidrosfēra

H2O (ūdens, ledus), ūdenī izšķīdušas vielas (Na+, Ca+2, Cl-)

šķidrs, ciets

Biosfēra

organiskas vielas, H2O

šķidrs, ciets

Litosfēra:

garoza

mantija

kodols

silikāti, karbonāti, sulfīdi, oksīdi

silikāti (olivīns, piroksēns)

dzelzs un niķelis

ciets

ciets

šķidrs (kodola centrs – ciets)

2. tabula

Zemes galveno sastāvdaļu masa un vielu aprites laiks tajās


Masa, kg

Aprites laiks, gadi

Biosfēra

Atmosfēra

Hidrosfēra

Garoza

Mantija

Kodols

4,2 ´ 1015

5,2 ´ 1018

1,4 ´ 1021

2,4 ´ 1022

4,0 ´ 1024

1,9 ´ 1024

60

0,2

1600

>3 ´ 107

>108

nemainās

Sistēmas var būt atvērtas vai slēgtas. Atvērtā sistēmā vielas un enerģijas plūsmas netiek ierobežotas. Okeāns ir atvērta sistēma attiecībā pret Zemes ūdeņu kopumu hidrosfēru. Zeme ir uzskatāma par slēgtu sistēmu attiecībā pret vielu plūsmām (Zemes masu papildina relatīvi neliels daudzums nokritušo meteorītu, un nedaudz vielas aizplūst Visumā no atmosfēras augšējiem slāņiem), bet par atvērtu sistēmu attiecībā pret enerģijas plūsmām (Zeme saņem enerģiju no Saules, bet daļu saņemtās enerģijas atstaro kosmiskajā telpā). Sistēmas raksturo to spēja reaģēt uz dažādām ietekmēm – atgriezeniskā saite, kas var būt pozitīva vai negatīva. Atbildes reakcija ir pašregulējoša vai stabilizē sistēmas stāvokli un nodrošina sistēmas uzturēšanu relatīvi konstantos apstākļos. Pozitīva atgriezeniskā saite veidojas, ja iedarbība uz sistēmu noved pie tālākas sistēmas darbības pieauguma.

Klasisks negatīvās atgriezeniskās saites piemērs nedzīvajās, tehniskajās sistēmās ir Vata regulators (2. attēls), kurš, palielinoties svērteņa rotācijas ātrumam, samazina tvaika padevi cilindrā un tādējādi nodrošina pastāvīgu dzinēja apgriezienu skaitu.

CV_2

2. attēls. Negatīvās atgriezeniskās saites princips Vata regulatorā.

Jo intensīvāk darbojas tvaika mašīna, jo ātrāk griežas centrbēdzes mehānisms, tādēļ tvaika padeves vārsts aizvien ciešāk noslēdz tvaika padevi, regulējot mašīnas darbību.

Faktors, kas nozīmīgi ietekmē uz Zemes noritošos procesus, ir dzīvo organismu kopums uz tās – biosfēra. Dzīvība aizsākās apmēram 1,6 miljardus gadu pēc Zemes izveidošanās, un tā ir ļoti būtiski ietekmējusi planētu. Kopš dzīvības izcelšanās daudzi organismu veidi ir attīstījušies, piedzīvojuši uzplaukumu un izzuduši. Cilvēku eksistence uzskatāma tikai par vienu posmu Zemes attīstības vēsturē. Tomēr no cilvēka redzes viedokļa tas ir pats nozīmīgākais posms Zemes pastāvēšanā, un līdz ar to arī izpratne par to, kā mēs varam ietekmēt ap mums esošo vidi, ir būtiska. Cilvēka darbība mūsdienās spēj ietekmēt uz Zemes noritošos procesus. Visu Zemes ūdeņu kopumu (hidrosfēru), troposfēru un Zemes garozas augšējo daļu ietekmē dzīvība.

Jebkuras zinātnes nozares mērķis ir pētīt kādu konkrētu objektu. Vides zinātne pēta sarežģītas sistēmas, līdz ar to vides zinātni var definēt arī kā zinātni par Zemes sistēmām, to mijiedarbību un cilvēka ietekmi uz tām.


Atmosfēra, hidrosfēra un litosfēra


Atmosfēra ir viena no trim Zemes sastāvdaļām (atmosfēra, hidrosfēra un litosfēra). Visās šajās daļās pastāv dzīvība. Atmosfēra sastāv no vielām gāzveida stāvoklī (O2, N2), hidrosfēra sastāv no ūdens un tajā izšķīdušām vielām. Lielu daļu Zemes masas veido litosfēra, bet pēc uzbūves tā ir izteikti heterogēna.

Kopējā atmosfēras masa ir 5,2 ´ 1018 kilogrami jeb apmēram viena miljonā daļa no visas Zemes masas, un salīdzinājumā ar hidrosfēras un litosfēras masu tā ir relatīvi niecīga (2. tabula). Atmosfēru raksturo intensīvi vielu un enerģijas aprites procesi, un salīdzinājumā ar pārējām Zemes sfērām tā ir vismainīgākā. Atmosfērai ir liela nozīme Zemes siltuma bilancē. Atmosfērā tiek izkliedēta Saules enerģija, tā uzturot siltuma bilanci un klimatu. Ūdens tvaiki un ogļskābā gāze, kas ir atmosfēras sastāvā, atstaro atpakaļ daļu no Zemes virsmas izstarotā siltuma, tādējādi ievērojami paaugstinot temperatūru uz Zemes.

Zemes attīstības laikā atmosfēras sastāvs ir mainījies, un pašreiz tas atspoguļo zināmu dinamiskā līdzsvara stāvokli, ko veido ģeoķīmiskie, dzīvajā dabā noritošie procesi un cilvēka darbība. Vienlaikus atmosfēra tās pašreizējā veidā ir ilgas evolūcijas iznākums. Pēc Zemes izveidošanās sākotnējā atmosfēra sastāvēja no metāna, amonjaka, ūdens tvaikiem un ūdeņraža. Šī atmosfēra pat ar visai īsu viļņa garumu neaizkavēja elektromagnētisko starojumu no kosmiskās telpas, un tā iedarbojās ķīmiski reducējoši. Tāpēc pirmie dzīvie organismi attīstījās ūdens vidē, kas pasargāja no elektromagnētiskā starojuma ar īsu viļņa garumu un nepieļāva organisko vielu (īpaši DNS, olbaltumvielu) sabrukšanu. Atmosfēras sastāva izmaiņas ietekmēja fotosintezējošo organismu attīstība – tie spēj saistīt ogļskābo gāzi un ūdeni, veidojot ogļūdeņražus un skābekli. Vienlaikus, pieaugot skābekļa koncentrācijai gaisā, izveidojās Zemes ozona slānis un atmosfēras sastāvs, kāds pastāv mūsdienās. Atmosfēras evolūcijai bija raksturīga arī ūdeņraža koncentrācijas pazemināšanās, tam saistoties ķīmiskos savienojumos, kā arī izkliedējoties kosmiskajā telpā. Līdz ar to fotosintēze un dzīvo organismu attīstība uzskatāma par galveno faktoru kopumu, kas nosaka skābekli saturošu atmosfēru mūsdienās.

Kaut arī atmosfēras masa nav liela (0,00009% no Zemes masas, 0,044% no Zemes garozas masas, 0,6% no hidrosfēras masas), tās loma ir milzīga, atmosfēras atomi atrodas pastāvīgā vielas apmaiņā ar litosfēru, biosfēru un hidrosfēru, aktīvi līdzdarbojas daudzos vielu un elementu migrācijas procesos. Atmosfēras pastāvēšana ir dzīvības priekšnosacījums uz Zemes, savukārt, dzīvības procesi ļoti būtiski iespaido tās sastāvu. Cilvēka darbības dēļ notiek izmaiņas visās Zemes sistēmās, bet visbūtiskāk tā skar tieši atmosfēru. Atmosfēras īpatnības ir kustīgums un tajā notiekošās fizikāli ķīmiskās pārvērtības, kas būtiski ietekmē procesus uz Zemes. Atmosfēru var uzskatīt par barjeru, kas pasargā dzīvības procesus uz Zemes, jo atmosfērā tiek absorbēts kosmiskais starojums un liela daļa Saules elektromagnētiskā starojuma, kas varētu radīt dzīvos organismus veidojošo organisko vielu sabrukšanu. Starojums ar lielāku viļņa garumu un mazāku enerģiju var sasniegt Zemes virsmu, taču starojums ar īsāku viļņa garumu (ultravioletais starojums, rentgenstari, g stari) tiek saistīts atmosfēras augšējos slāņos. Liela ir atmosfēras loma Zemes siltuma bilances veidošanā. Atmosfēras sastāvā esošo ogļskābo gāzi augi izmanto fotosintēzei, bet skābekli – dzīvie organismi elpošanai. Atmosfērai ir izšķiroša loma vielu aprites globālajos ciklos (oglekļa, sēra, slāpekļa, metālu) un ūdens hidroloģiskajā ciklā. Atmosfērā sadeg arī ievērojama daļa meteorītu masas, kuri nāk no kosmiskās telpas.

Atmosfēras augstais kustīgums nodrošina to, ka piesārņojums, kas rodas vienā Zemes reģionā, tiek pārnests uz citiem reģioniem un var tikt izkliedēts pat globālā mērogā. Liela daļa biosfērā noritošo procesu neapšaubāmi ir atkarīgi no gaisa sastāva, kas tiek izmantots dzīvības procesu nodrošināšanā, un vispirms tas attiecas uz organismiem, kuru uzbūve ir sarežģītāka. Toksiskās vielas pat mikrodaudzumā, ja tās tiek uzņemtas ilgāku laiku, var ievērojami ietekmēt cilvēka veselību.

CV_4

3. attēls. Zemes atmosfēras un temperatūras mainība atkarībā no attāluma līdz Zemes virsmai

Atkarībā no augstuma visai ievērojami var mainīties arī temperatūra un atmosfēras ķīmiskais sastāvs. Atmosfērai ir slāņaina uzbūve, tāpēc atkarībā no attāluma līdz Zemes virsmai daudzi tās raksturlielumi un sastāvs mainās neviendabīgi (3. attēls). Augšējie atmosfēras slāņi pēc sastāva stipri atšķiras no apakšējiem, kuri ir ievērojami blīvāki un kuros koncentrēta atmosfēras gāzu pamatmasa (gaisa masa Zemes virsmai tuvākajos 30 kilometros veido 99% no atmosfēras kopējās masas). Zemes atmosfēra atrodas dinamiskā līdzsvara stāvoklī. Ja atmosfēras spiediens mainās vienmērīgi, temperatūras izmaiņas notiek lēcienveidīgi atkarībā no attāluma līdz Zemei. Atmosfēras augšējos slāņos kosmiskās telpas elektromagnētiskais starojums ar augstu enerģiju rada atmosfēras sastāvdaļu jonizāciju, spējot sašķelt pat stabilās ūdens vai slāpekļa molekulas. Lielajā retinājumā sadursmes ar elektromagnētiskā starojuma kvantiem piešķir gāzu molekulām lielu ātrumu. Vienlaikus šie procesi nosaka elektromagnētiskā starojuma sorbciju, kas ir visintensīvākā tieši atmosfēras augstākajos slāņos, bet ievērojamā mērā notiek arī zemākās atmosfēras zonās.

Zemes virsmai tuvāko zonu sauc par troposfēru. Troposfēras augstumu un tajā noritošos procesus ietekmē Zemes forma, gaisa masu kustības raksturs un daudzi citi faktori, tajā skaitā arī antropogēnie. Pie troposfēras augšējās robežas notiek ūdens tvaiku kondensācija, un līdz ar to tiek novērsta to nokļūšana augstākos atmosfēras slāņos, kur ūdens molekulas fotoķīmiskās reakcijās varētu sadalīties, bet veidotais ūdeņradis izkliedēties kosmiskajā telpā.

Stratosfēru raksturo gaisa temperatūras pieaugums, palielinoties attālumam no Zemes virsmas, – to nosaka tajā noritošās fotoķīmiskās reakcijas, kuras vispirms saistās ar ozona molekulu veidošanos un sabrukšanu, kā arī intensīvu ultravioletā starojuma sorbciju.

Atmosfēras augšējos slāņus veidojošo gāzu koncentrācija ir ievērojami zemāka – tās eksistē jonizētā stāvoklī un ir pakļautas augstas enerģijas elektromagnētiskā starojuma iedarbībai, kas nāk no Saules un kosmiskās telpas, tādēļ molekulu kustības ātrums retinātajā vidē ievērojami pieaug. Šajās atmosfēras daļās norit reakcijas, kuru raksturs ievērojami atšķiras no reakcijām Zemes virsmas tuvumā.

Hidrosfēra ir Zemes virsmas un tai tuvējās Zemes garozas daļas ūdeņu kopums, kura lielāko daļu aizņem Pasaules okeāns. Vielu aprite lielā mērā saistās ar ūdens apriti uz Zemes. Ūdens nosaka dzīvības procesu norisi un raksturu uz Zemes, kā arī ir galvenā augstākos dzīvos organismus veidojošā viela. Ūdens veido hidrosfēru, bet būtiski ietekmē arī procesus biosfērā, atmosfērā un, nosakot daudzu ģeoloģisko procesu raksturu, arī litosfērā. Ūdens lomu vidē lielā mērā nosaka ne tikai tā kopējais daudzums uz Zemes, bet arī ūdens kā vielas īpašības.

Hidrosfēras masa ir 1,5 ´ 1018 tonnu. Hidrosfēras kopplatība (okeāns + ledāji + ezeri + upes + purvi + mitrzemes) ir 383 miljoni kvadrātkilometru, un salīdzinājumā ar Zemes virsmas kopplatību (510 miljoni kvadrātkilometru) hidrosfēra aizņem 75% no tās. Zemes ārējā cietā daļa – litosfēra – sniedzas līdz 200 kilometru dziļumam. Tā ietver Zemes garozu un mantijas augšējo daļu. Zem litosfēras atrodas astenosfēra un augšējā mantija, kuru veido daļēji izkusuši ieži un šķidrs materiāls, kas Zemes virsmu var sasniegt vulkānu izvirdumu laikā. Zemes ārējais kodols ir šķidrs un veido ~30% no Zemes masas, bet iekšējais kodols ir ciets un galvenokārt sastāv no dzelzs un niķeļa (4. attēls).

CV_5

4. attēls. Zemes iekšējā uzbūve


Biosfēra


Par biosfēru sauc Zemes daļu, kurā ir izplatīti dzīvie organismi. Biosfēra aptver augšējo litosfēras daļu, apakšējo atmosfēras daļu (troposfēru) un visu hidrosfēru. Biosfēra ir gan dzīvo būtņu kopums (biomasa), gan arī dzīves vide. Biosfēra ir telpa, kurā mājo dzīvie organismi dažādā koncentrācijā – no dažām baktērijām kubikmetrā atmosfēras augstākajos slāņos līdz ekvatoriālās zonas tropiskajiem mežiem, kuriem raksturīga ne vien augsta bioloģiskā daudzveidība, bet arī milzīgs īpatņu skaits noteiktā tilpuma vienībā. Biosfēra ir ārkārtīgi sarežģīta dinamiska sistēma, ko iespaido milzīgs skaits dažādu ārēju faktoru, tai skaitā nejaušu: Zemes garozas tektoniskie procesi, apledojumi un klimatiskas katastrofas.

Kopējais pašlaik zināmo augu un dzīvnieku sugu skaits ir gandrīz 3 miljoni, no tām apmēram 300 000 ir autotrofas sugas (spēj radīt primāro biomasu). Visi pārējie organismi ir heterotrofi – primārās biomasas patērētāji. Starp augiem visvairāk ir segsēkļu un sēņu, starp dzīvniekiem –kukaiņu, molusku, posmkāju un mugurkaulnieku.

Kopējo dzīvās vielas masu vērtē no 2,4 × 1012 tonnām līdz 1 × 1013 tonnām sausas vielas, kurā dominē fitomasa (jūras fitoplanktons, meži, zālaugi), bet zoomasas daudzumu vērtē ap 2–10% no kopējā biomasas daudzuma. Dzīvās vielas gada produkcija ir apmēram 2,3 × 1011 tonnu. Dzīvā viela veido 0,01% no Zemes garozas masas, bet, to vienmērīgi izkliedējot Zemes virsmā, izveidotos 2 centimetrus biezs slānis. Visvairāk biomasas ir koncentrēts tropu mežos – vidēji 65 kg/m3, taigā 20–25 kg/m3, melnzemes joslas stepēs – 1 kg/m3, tuksnešos – 0,25 kg/m3. Pēc biomasas koncentrācijas tuksnešiem tuvs ir Pasaules okeāns, kas atsevišķās vietās salīdzināms ar stepēm un savannām. Tomēr jūras organismi ātrāk vairojas un arī sadalās, bioloģiskā aprite ir daudz intensīvāka. Planktons ir lielākā un nozīmīgākā planētas biocenoze. Lai gan dzīvās vielas masa salīdzinājumā ar Zemes garozas masu ir niecīga, tomēr tās aprite ir intensīva. Ir aplēsts, ka visā dzīvības pastāvēšanas laikā planktona radītā un apritē esošā biomasa ievērojami pārsniedz Zemes garozas masu.

Dzīvās sistēmas atšķirībā no nedzīvajām aktīvi mijiedarbojas ar apkārtējo vidi, nemitīgi uzņemot no tās organiskās un neorganiskās vielas un enerģiju un izdalot vidē dzīvības procesu atkritumproduktus. Galvenās dzīvo sistēmu kategorijas ir šūna, organisms, populācija un biocenoze. Šūnām un organismiem piemīt kairināmība tie aktīvi reaģē uz izmaiņām vidē, aug, attīstās un vairojas. Šūna ir organisma uzbūves pamatelements, vienas sugas organismi veido populāciju, bet sugas, kas ir savstarpēji saistītas vai kurām ir līdzīgas prasības pret apkārtējo vidi, veido sugu sabiedrības jeb biocenozes. Biocenoze un nedzīvā vide (biotops), kurā sugas mājo un kuru tās izmanto un pārveido, kopā veido vēl augstākas kategorijas sistēmu – ekosistēmu, kas apvieno dzīvās un nedzīvās dabas komponentus. Katra suga ir unikāla un neatkārtojama, un tai ir specifiskas un raksturīgas funkcijas ekosistēmā. Visas uz Zemes dzīvojošās organismu sugas iedala četros lielos nodalījumos – valstīs: baktērijas, sēnes, augi un dzīvnieki (vīrusi šajā klasifikācijā netiek iekļauti). Kaut arī klasificēto sugu skaits ir milzīgs, tiek uzskatīts, ka lielāko daļu zinātnieki vēl nav atklājuši, jo saskaņā ar prognozēm kopējais sugu skaits uz planētas varētu būt vismaz 13 miljoni.

Ekosistēmas dzīvos komponentus veido dažādu sugu organismi, kas apdzīvo vienu un to pašu telpas daļu, parasti savstarpēji mijiedarbojas un veido barības ķēdi. Ekosistēmā ietilpstošo sugu kopumu sauc par biocenozi. Visu nedzīvās dabas komponentu (iežu, ūdens, gaisa) kopumu, kurā atrodas biocenoze, sauc par biotopu (5. attēls).


CV_6

5. attēls. Ekosistēmu veido nedzīvās dabas elementu kopums (biotops) un dzīvo organismu kopums (biocenoze)

Ekosistēmas var būt dažāda lieluma, sākot no mikroekosistēmām, piemēram, trūdošs celms vai ūdens peļķe, un beidzot mezoekosistēmām un makroekosistēmām, piemēram, meža nogabals, ezers, Madagaskaras sala vai Klusais okeāns. Visas planētas ekosistēmas apvienotas megaekosistēmā – biosfērā (6. attēls). Ekosistēmas ir atvērtas sistēmas. Tas nozīmē, ka tās nepārtraukti uzņem un izvada enerģiju un dažādas vielas.

CV_7

6. attēls. Hierarhiskas ekosistēmas

Visaugstākā līmeņa ekosistēma ir biosfēra. Biosfērā var nodalīt lielākas un pēc dabas apstākļiem viendabīgas teritorijas – biomus. Savukārt biomos var nodalīt mezoekosistēmas, piemēram, atsevišķus meža vai zālāju platības, purvus, ezerus.

Ekosistēmas galvenā funkcija ir dzīvības nepārtrauktības nodrošināšana, ko tā veic, no vienkāršām neorganiskām vielām (gāzēm, ūdens, sāļiem) nemitīgi sintezējot organiskās vielas ar sarežģītu molekulu struktūru – celulozi, cukurus, olbaltumvielas, taukus. Organismiem atmirstot, tie atkal tiek sadalīti vienkāršās vielās. Ekosistēmas tomēr nevar aprakstīt tikai telpiskās kategorijās, jo starp ekosistēmām nav iespējams novilkt precīzas robežas, ja vien tās nav iezīmējusi pati daba, piemēram, kā līniju starp sauszemi un ūdeni. Visbiežāk starp ekosistēmām ir izteikta pārejas zona – ekotons (7. attēls). Tādēļ ekosistēmu kartēs iezīmētās robežas ir visai nosacītas, dabā tādas nepastāv.

CV_8

7. attēls. Meža ekosistēma robežjoslā ar pļavas ekosistēmu veido mežmalas ekotonu – krūmāju, kurā sastopamas gan pļavas, gan meža sugas

Ekosistēmu raksturo saites jeb attiecības starp dažādām sugām un nedzīvās dabas elementiem, un tās ir ļoti daudzveidīgas. Ekosistēmas iekšienē šīm saitēm ir jābūt ciešākām nekā starp ekosistēmām. Neapšaubāmi svarīgākās ir barības jeb trofiskās attiecības (no grieķu val. trophos – ‘baroties’), kad viena suga izmanto otru kā barību. Trofiskās attiecības pastāv, piemēram, starp augēdāju sugām un augu sugām, starp plēsējiem un upuriem, starp parazītiem un saimniekiem – sugām, uz kurām parazīti dzīvo. Taču bez trofiskajām saitēm ir arī citas starpsugu attiecību formas, piemēram, abpusēji labvēlīgas attiecības jeb simbioze (8. attēls) un tām pilnīgi pretējas – sugu konkurence par barības resursiem vai dzīves telpu.

CV_9

8. attēls. Ķērpis ir aļģes un sēnes simbioze

Starpsugu attiecības pastāv arī tajos gadījumos, ja viena suga pārtiek no otras sugas barības atliekām, atrod mājvietu otras sugas apdzīvotās vai pamestās vietās vai tikai nejauši brīdina otru sugu par draudošām briesmām. Sugu trofiskās attiecības ir ekoloģisko barības ķēžu un trofisko tīklu uzbūves pamatā (9. attēls). Caur ekoloģisko barības ķēdi plūst enerģija un viela. Trofiskās ķēdes pirmo posmu veido primārie producenti – zaļie augi, kas fotosintēzē ražo organiskās vielas no minerālvielām, ūdens un ogļskābās gāzes, izmantojot Saules enerģiju. Pārējie ķēdes locekļi Saules enerģiju tiešā veidā izmantot nespēj – tie var patērēt tikai to enerģiju, kas ieslēgta zaļo augu masā. Augu saražotās organiskās vielas un tajās uzkrātā enerģija vispirms ir pieejama augēdājiem kukaiņiem, putniem, zīdītājiem un citiem dzīvniekiem, kas pārtiek no augu barības. Augi pamatā sastāv no celulozes – grūti sagremojamas organiskās vielas. Celulozi augēdājiem palīdz sagremot mikroorganismi, kas kā simbionti dzīvo to gremošanas traktā. Šajā simbiozē dzīvnieks nodrošina mikroorganismiem patvērumu savā gremošanas traktā, bet mikroorganismi dzīvniekam palīdz sagremot norīto augu barību. Celulozei kā barībai ir zema enerģētiskā vērtība, tāpēc, lai nodrošinātu sevi ar nepieciešamo enerģiju, zālēdājiem jāēd bieži un ļoti daudz.

CV_10

9. attēls. Ekoloģiskā barības ķēde jeb trofiskā ķēde

Ekoloģiskā barības jeb trofiskā ķēde atspoguļo organismu barošanās hierarhiju ekosistēmā, kā arī vielu un enerģijas plūsmu tajā. Ekoloģiskajā barības ķēdē izšķir 3–4 trofiskos līmeņus. Pirmais līmenis ietver autotrofos organismus, kas sava ķermeņa vielu veido, izmantojot Saules enerģiju un no augsnes vai ūdens uzņemtas neorganiskas vielas. Autotrofi ir visi zaļie augi, tai skaitā ūdenstilpēs sastopamās aļģes. Zaļie augi vasas vielas veido fotosintēzes ceļā, tādēļ tos sauc par producentiem. Mazāk izplatītas ekosistēmās ir autotrofās baktērijas, kas savu šūnu vielu sintēzei izmanto ķīmisko enerģiju. Visi pārējie barības ķēdes līmeņi ietver patērētājus jeb konsumentus. Otrais līmenis ietver augēdājus jeb fitofāgus. Augēdāji enerģiju un vajadzīgās vielas iegūst, patērējot barībā augus. Trešais līmenis ietver pirmās kārtas plēsējus jeb zoofāgus un parazītus. Tie barībā izmanto augēdājus. Daudzās ekosistēmās arī pirmās kārtas plēsēji ir apdraudēti, jo tos barībā izmanto otrās kārtas plēsēji. Saules enerģijas daudzums, kas pieejams katram nākamajam ekoloģiskās barības ķēdes līmenim, ir ne vairāk kā 10–15%. Tas tādēļ, ka lielākā daļa enerģijas tiek patērēta katra līmeņa organismu vielmaiņai, augšanai, vairošanās procesam un tiek zaudēta siltuma veidā. Tādēļ arī barības ķēdes nemēdz būt garas. Enerģijas daudzuma samazināšanos barības ķēdē parasti atspoguļo katra līmeņa organismu skaits un kopējā biomasa. Augēdāju parasti ir mazāk nekā augu, bet plēsēju – mazāk nekā upuru. Šo likumsakarību atspoguļo ekoloģiskās piramīdas (10. attēls).

CV_11

10. attēls. Ekoloģiskā skaita piramīda

Enerģijas deficīts un zudumi trofiskajā barības ķēdē ir cēlonis tam, ka ekosistēmā parasti augēdāju ir mazāk nekā augu un plēsēju mazāk nekā upuru.

Barības ķēdē ietilpst arī reducenti, kas enerģiju un vajadzīgās vielas iegūst, sadalot visā barības ķēdē uzkrājušās organismu atliekas un ekskrementus. Šādus organismus sauc par saprotrofiem (no grieķu val. sapros – ‘sapuvis’, trophos – ‘baroties’). Ekoloģiskās barības ķēde ir abstrakts jēdziens, jo daudzas sugas izmanto barībā gan augus, gan dzīvniekus, piemēram, lācis. Tādēļ viena un tā pati suga var ietilpt vairākos trofiskos līmeņos. Barības attiecības starp sugām atspoguļo trofiskais tīkls, kura katrs mezgla punkts simbolizē konkrētu sugu un saišu daudzums ar citiem mezgla punktiem – trofiskās attiecības ar citām sugām ekosistēmā.

Ekoloģiskā barības ķēde tādējādi atspoguļo nevis attiecības starp sugām, bet gan enerģijas un vielu plūsmu ekosistēmā vispār. Trofiskās attiecības starp konkrētām sugām redzamas trofiskajā tīklā (11. attēls).

CV_12

11. attēls. Trofiskais tīkls

Sugas ar daudzveidīgu barošanos veido tīkla mezgla punktus, bet sugas, kas specializējušās tikai viena barības objekta patērēšanā, tīklam ir piesaistītas ar vienu pavedienu

Dažādu hierarhijas līmeņu ekosistēmas nav norobežotas cita no citas, tās ir saistītas neskaitāmām saitēm. Tādēļ procesi, kas notiek zemāka ranga sistēmā, ietekmē gan vienā līmenī blakus esošas sistēmas, gan arī visas augstāka hierarhijas līmeņa ekosistēmas. To, kāds būs migrējošas putnu sugas, piemēram, melnā stārķa, indivīdu skaits kādā Latvijas rajonā, nosaka šīs sugas izdzīvošanas sekmes Āfrikā.

Amazones lietus mežu izciršana rada ne vien vietējā klimata izmaiņas, bet arī visa Amazones baseina, Dienvidamerikas un Klusā okeāna reģiona izmaiņas kopumā, jo šīs ekosistēmas ar intensīvo ūdens iztvaikošanu un atmosfērā izdalītajām specifiskajām vielām nosaka lietus mākoņu veidošanās augstumu virs reģiona, kas ietekmē arī globālo klimatu. Jāapzinās, ka mūsdienu priekšstati par cēloņu un seku likumsakarībām ekosistēmās vēl ir visai nepilnīgi. Teorētiski nevar izslēgt iespēju, ka nelielas izmaiņas vienā sistēmas elementā var radīt būtiskas izmaiņas visā ekosistēmā. Šo parādību mēdz dēvēt arī par tauriņa spārna efektu, pārfrāzējot teicienu, ka tauriņa spārna vēziens Dienvidamerikas lietus mežā var izraisīt viesuļvētru Eiropā. Neliels fosfora un slāpekļa savienojumu koncentrācijas pieaugums ezerā, ja ir labvēlīga ūdens temperatūra, rada aļģu un cianobaktēriju (zilaļģu) lavīnveidīgu savairošanos, kas būtiski ietekmē visu ezera ekosistēmu.

Ekosistēmu hierarhiskā uzbūve telpiski izpaužas kā biotopu daudzveidība vienā ekosistēmā. Liela biotopu daudzveidība raksturīga ainavu līmeņa ekosistēmām, kur dažāda tipa mežu ekosistēmas mijas ar sausu un mitru pļavu ekosistēmām, augstajiem un zemajiem purviem, kāpu un ezeru ekosistēmām. Savukārt, ainavu līmeņa ekosistēmas ar zemu biotopu daudzveidību mēdz būt lieli cilvēka stādīti mežu masīvi, vienlaidu sējumu platības vai ganības.

Ekosistēmas dzīvais komponents ir sugu sabiedrības – biokopas. Biokopu veido baktērijas, sēnes, augi un dzīvnieki. Šie organismi ir atkarīgi no vides faktoriem (temperatūras, mitruma, augsnes auglības u. c.) un vienlaikus arī paši tos pārveido. Piemēram, augi ar saknēm un nobirām, kā arī dzīvnieki ar rakšanu un ekskrementiem pārveido nedzīvos iežus, un veidojas augsne. Šajā ziņā izcila nozīme ir sliekām. Ievērojamais angļu dabaszinātnieks Čārlzs Darvins tās savulaik salīdzinājis ar zemkopja arklu, jo, tārpiem, kuru skaits mērāms simtos uz kvadrātmetru, nemitīgi barojoties augsnē, caur gremošanas traktu gada laikā iziet gandrīz visa lauka augsnes virskārta. Slieku ekskrementus sauc par kaprolītiem. Tie ir ķīmiski stabili augsnes struktūras elementi un augsnes mikrobioloģisko procesu aktivitātes centri, kas nosaka augsnes auglību.

Biokopu raksturo sugu daudzveidība, ko mēra ar tajā ietilpstošo sugu skaitu. Vislielākā sugu daudzveidība ir tropu lietus mežu un koraļļu rifu ekosistēmās. Piemēram, entomologs Terijs Ervins konstatējis, ka Panamas lietus meža koka lapotnē mitinās caurmērā 1200 vaboļu sugu. Ziemeļu un mērenās joslas mežu ekosistēmās, kur vides apstākļi ir skarbāki, protams, sugu daudzveidība ir ievērojami mazāka. Piemēram, skujkoku mežā augu sugas var viegli saskaitīt uz vienas rokas pirkstiem. Toties meža augsnē mitinās desmitiem dažādu sīku posmkāju un tārpu sugu. Ekosistēmas nemitīgi mainās, attīstās. Vienu biokopu nomaina cita, atšķirīga pēc sugu sastāva. Šo ekosistēmu attīstības procesu dēvē par ekoloģisko sukcesiju. Ekoloģisko sukcesiju uzskatāmākie piemēri ir tīruma aizaugšana ar nezālēm, pārveidošanās par pļavu, pļavas aizaugšana ar krūmiem, krūmāju pārveidošanās par mežu (12. attēls).

CV_13

12. attēls. Ekoloģiskā sukcesija

Tīruma aizaugšana un egļu meža izveidošanās notiek aptuveni 80–100 gadu laikā. Šajā procesā var nodalīt vairākas stadijas. Katrai no tām raksturīga biokopa ar specifisku augu un dzīvnieku sugu sastāvu.

Ekoloģiskās sukcesijas var būt gan relatīvi īsas, gan arī ļoti ilgas. Laika ziņā īsas ir mikrosukcesijas, kas notiek dažu nedēļu laikā. Turpretī ezera pakāpeniska aizaugšana un pārveidošanās par purvu ilgst gadu tūkstošus (13. attēls). Ezera dibenā pakāpeniski nogulsnējas ūdensaugu un ūdens dzīvnieku atliekas, tas kļūst aizvien seklāks. Aizaugšana notiek arī no ezera krastiem, ezera virsma pamazām sarūk, līdz izzūd pavisam.

CV_14

13. attēls. Ekoloģiskā sukcesija

Ekoloģiskās sukcesijas galvenā pazīme ir sugu sastāva nomaiņa ekosistēmā, taču paralēli tam mainās arī saražoto organisko vielu masa un produktivitāte – noteiktā laika vienībā saražotās biomasas daudzums. Izmainās arī kopējā dzīvo augu un dzīvnieku biomasa ekosistēmā un tās produktivitāte – saražotās biomasas daudzums vienā laika vienībā. Izšķir primāro un sekundāro sukcesiju. Primārajā sukcesijā ekosistēmas attīstības process sākas uz kailiem iežiem, piemēram, uz vulkāniskās lavas, smilšu kāpā vai grants karjerā. Pirmie parādās mikroorganismi, aļģes, ķērpji un sūnas. Šiem organismiem atmirstot, pamazām uzkrājas organiskās vielas, veidojas augsne, un ieviešas augu un dzīvnieku sugas, kas, ekosistēmai attīstoties, nomaina cita citu. Sekundārajā sukcesijā ekosistēmas attīstība sākas pēc kāda spēcīga ārēja faktora, piemēram, ugunsgrēka, viesuļvētras, meža izciršanas, augsnes uzaršanas u. tml., iedarbības uz ekosistēmu. Šajā gadījumā ekosistēmā jau ir vairāk vai mazāk izveidojusies augsne un biokopa. Saskaņā ar sukcesiju teoriju ekosistēma savas attīstības gaitā virzās uz noteiktu galamērķi – ekoloģisko klimaksu, kuru sasniedzot tā vairs tālāk nemainās.

Arī cilvēks ir ekosistēmas sastāvdaļa – viena no dzīvo organismu sugām, kas atšķirībā no pārējiem organismiem spēj visbūtiskāk ietekmēt šīs sistēmas, izmantot tajās saražoto bioloģisko produkciju, izmainīt sugu sastāvu sev vēlamajā virzienā. Taču, lai sekmīgi apsaimniekotu ekosistēmas, ir labi jāpārzina to funkcionēšanas likumsakarības un sugu struktūra.

Cilvēks ar savu rīcību spēj planētas ekosistēmas gan uzturēt, gan sagraut. Tā kā biosfēras sagraušanas gadījumā nebūtu iespējama arī viņa paša turpmākā eksistence, cilvēks ir objektīvi ieinteresēts ekosistēmu ilgtspējīgā attīstībā. Gadījumos, kad nav pietiekamas informācijas par sistēmu, iejaukšanās tajā drīkst notikt, tikai ievērojot maksimālas piesardzības principu. Nav pieļaujamas darbības, ja pastāv aizdomas, ka tām varētu būt nepieļaujamas sekas. Iejaukšanās sistēmā veicama soli pa solim, pēc katra soļa rūpīgi izvērtējot tā sekas, pirms tiek sperts nākamais.