1. Экологические системы понятие,состав,границы,энергетика
 Скачать 354.42 Kb.
|
|
1.Экологические системы: понятие,состав,границы,энергетика. Экология рассматривает взаимодействие живых организмов и неживой природы. Это взаимодействие, во-первых, происходит в рамках определенной системы (экологической системы, экосистемы) и, во-вторых, оно не хаотично, а определенным образом организовано, подчинено законам. Экосистемой называют совокупность продуцентов, консументов и детритофагов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей их средой посредством обмена веществом, энергией и информацией таким образом, что эта единая система сохраняет устойчивость в течение продолжительного времени. Таким образом, для естественной экосистемы характерны три признака:
Примерами природных экосистем являются озеро, лес, пустыня, тундра, суша, океан, биосфера. Как видно из примеров, более простые экосистемы входят в более сложно организованные. При этом реализуется иерархия организации систем, в данном случае экологических. Важным следствием иерархической организации экосистем является то, что по мере объединения компонентов в более крупные блоки, которые, в свою очередь, объединяются в системы, у этих новых функциональных единиц возникают новые свойства, отсутствовавшие на предыдущем уровне. Такое наличие у системного целого особых свойств, не присущих его подсистемам и блокам, а также сумме элементов, не объединенных системообразующими связями, называют эмерджентностью. Краткое античное определение эмерджентности звучит так: целое больше суммы его частей. Поэтому эмерджентные свойства экологической системы представляют собой не простой переход количества в качество, а являются особой формой интеграции, подчиняющейся иным законам формообразования, функционирования и эволюции. Такие качественно новые, эмерджентные свойства экологического уровня или экологической единицы нельзя предсказать, исходя из свойств компонентов, составляющих этот уровень или единицу. Хотя данные, полученные при изучении какого-либо уровня, помогают при изучении следующего, с их помощью никогда нельзя полностью объяснить явления, происходящие на этом уровне: он должен быть изучен непосредственно. Несмотря на многообразие экосистем, все они обладают структурным сходством. В каждой из них можно выделить фотосинтезирующие растения - продуценты, различные уровни консументов, детритофагов и редуцентов. Они и составляют биотическую структуру экосистем. 2.Биосфера: понятие,границы,энергетика,история развития,прогнозы на будующие. Термин биосфера введен в 1875г. Эдуардом Зюссом. К биосфере он отнес все то пространство атмосферы, гидросферы и литосферы, где встречаются живые организмы. По Вернадскому биосфера – все пространство (оболочка Земли), где существуют или существовала жизнь. Ту часть биосферы, где живые организмы встречаются в настоящее время назыв. современной биосферой или необиосферой, а древние биосферы относят к палеобиосферам или белым биосферам (залежи углей, нефти, мел, рудные образования). Границы биосферы: необиосфера в атмосфере простирается примерно до озонового слоя (у полюсов 8-10 км, у экватора 17-18 км и над остальной поверхностью Земли – 20-25 км) За пределами озонового слоя жизнь невозможна из-за губительных ультрафиолетовых лучей. К необиосфере можно отнести и донные отложения, где возможно существование живых организмов. Границы палеобиосферы в атмосфере примерно совпадают с необиосферой, под водами к палеобиосфере можно отнести и осадочные породы. Это толщина от сотен метров до десятков километров. В пределах современной, как и белых биосфер, насыщенность жизни неравномерна. На граниже биосферы встречаются лишь случайно занесенные организмы. В пределах основной части биосферы организмы присутствуют постоянно, но не равномерно. Основные в-ва биосферы: 1) Биосфера- централизованная система. Центральным звеном ее выступают живые организмы. 2) Биосфера – открытая система. Ее существование невозможно без поступления энергии извне (от солнца, космоса). 3) Биосфера- саморегулирующаяся система. Способная возвращаться в исходное состояние. Принципы Ле-Шателье- Брауна: при действии на систему сил, выводящих ее из состояния устойчивого равновесия, последнее смещается в том направлении, при котором эффект этого воздействия ослабляется. 4) Биосфера- система, характеризующаяся большим разнообразием. Разнообразие рассматривается как основное условие устойчивости биосферы. Важное свойство Биосферы- наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот в-в и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений. Границы биосферы: необиосфера в атмосфере простирается примерно до озонового слоя (у полюсов 8-10 км, у экватора 17-18 км и над остальной поверхностью Земли – 20-25 км) За пределами озонового слоя жизнь невозможна из-за губительных ультрафиолетовых лучей. К необиосфере можно отнести и донные отложения, где возможно существование живых организмов. На граниже биосферы встречаются лишь случайно занесенные организмы. В пределах основной части биосферы организмы присутствуют постоянно, но не равномерно. 3.Биологический круговорот: роль,механизм,основные звенья. Биологический круговорот (БК) — постоянная циркуляция вещества и движение энергии между почвой, растительным и животным миром и микроорганизмами, связанные с существованием и жизнедеятельностью организмов [14, 17, 37, 49]. Основа БК — образование в процессе фотосинтеза первичной растительной продукции, превращение ее во вторичную (в частности, в животную) и ее распад. Активное движение органического вещества в биогеоценозах (экологических системах) осуществляется по пищевым (трофическим) цепям. Пищевой цепью называется ряд живых организмов, в котором одни поедают предшественников по цепи и, в свою очередь, оказываются съеденными теми, которые следуют за ними [14, 28, 29, 36]. Пищевые цепи первого типа начинаются с живых растений, которыми питаются травоядные животные. При этом выделяются следующие категории организмов. 1. Продуценты — преимущественно хлорофиллоносные растения. Под влиянием солнечных лучей в процессе фотосинтеза растения (автотрофы) образуют органическое вещество, т. е. накапливают потенциальную энергию, содержащуюся в синтезированных углеводах, белках и жирах растений. В наземных экосистемах основные продуценты — зеленые цветковые растения, в водной среде — микроскопические планктонные водоросли. 2. Консументы — гетеротрофные организмы, потребители органического вещества, созданного автотрофами. К первичным консумен-там относят травоядных животных, а также паразитов (животных и растения) зеленых растений. Среди травоядных животных в наземной среде преобладают насекомые, грызуны и копытные, а в водной — мелкие ракообразные и моллюски. Вторичные консументы питаются травоядными животными, т. е. относятся к плотоядным (или всеядным). Третичные консументы питаются вторичными (это не единственный их корм), т. е. хищниками (например, беркут поедает лисицу или волка), поэтому их называют иногда хищниками хищников. Состав вторичных и третичных консументов разнообразен: здесь и хищники, убивающие свою добычу, и паразиты, и трупоеды. 3. Биоредуценты (деструкторы) — организмы, разлагающие органические вещества, преимущественно микроорганизмы (бактерии, дрожжи, грибы-сапрофиты), поселяющиеся в трупах, экскрементах, на отмирающих растениях и разрушающие их. Несколько примеров пищевых цепей (без редуцентов) [по 14]: I. Трава - кролик —>лисица (продуцент) — первичный консумент (вторичный консумент). II. Обыкновенная сосна—>тля—эбожьи коровки—»пауки-»насеко-моядные птицы-»хищные птицы. Пищевые цепи второго типа начинаются неживыми более или менее разложившимися веществами, которые потребляются детритоядными организмами. Биомасса организмов различных трофических уровней в пределах пищевых цепочек неодинакова, выше она на уровне продуцентов, а по мере продвижения к консументам высшего порядка уменьшается. Зеленые растения-автотрофы используют для процессов фотосинтеза 1...3% получаемой энергии Солнца; с учетом того что 80...90% образовавшихся углеводов разрушается в процессе дыхания растения, эффективность фотосинтеза составляет 0,1...0,5%. Для образования биомассы травоядных животных затрачивается в среднем 1% энергии растительного корма (потери 99%). Если зеленые растения в среднем поглощают в день на 1 м2 1500 кал солнечной энергии, то 15 кал будет запасено в виде чистой растительной продуктивности; в тканях жвачных животных аккумулируется 1,5 кал на уровне первичных консументов и 0,15 кал — вторичных. Это и будет «пирамидой чисел», т. е. экологической пирамидой при схематическом изображении пути вещества и энергии в трофических системах. Все наземные экосистемы производят около 50 млрд. т органического вещества в год; примерно такова же первичная продуктивность океанов. Следовательно, ежегодно в биосфере образуется примерно 100 млрд. т органического вещества. Биомасса наземных животных не превышает 1% биомассы растений, причем около 95% ее приходится на беспозвоночных. Биомасса организмов формируется в основном из соединений кислорода, углерода и водорода, поэтому в БК входит, очевидно, цикл круговорота этих элементов в биосфере, вызванный рождением, питанием, гибелью и разложением организмов. Главный источник кислорода в атмосфере — растения, которые на суше производят 53 * 109 т этого газа в год, а в океанах — 414-109 т. Скорость круговорота кислорода в биосфере, т. е. время, в течение которого весь он проходит через живое вещество,— 2 тыс. лет. Первое звено круговорота углерода—поглощение его растениями из углекислого газа, содержащегося в атмосфере, при фотосинтезе, второе— использование органических веществ животными при питании и частичное возвращение углерода в атмосферу при их дыхании. Кроме того, часть органического вещества (опад у растений, отбросы у животных), содержащего углерод, уходит в почву (с частичным возвратом в атмосферу). Скорость кругооборота углерода в биосфере 700 лет. Существуют также круговороты водорода, азота и других химических элементов, составляющие часть общего БК. Интенсивностью БК определяют численность и разнообразие живых организмов на Земле, объем накапливаемой органической продукции, которая может быть использована для удовлетворения потребностей человеческого общества. Познание всех особенностей БК помогает людям активно влиять на накопление нужной им органической материи. 4.Круговорот воды, кислорода, углерода в биосфере. Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой – C02. Источником является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних слоев земной коры. Миграция C02 в биосфере Земли протекает двумя путями: 1-й путь закладывается в поглощение его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и последующем захоронении их в литосфере в виде торфа, угля, горных сланцы, рассеянной органики, осадочных горных пород. Так, в далёкие геологические эпохи сотни млн. лет назад значительная часть фотосинтетического органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в породах млн. лет, этот детрит под действием высоких t и P (процесс метаморфизации) превращался в нефть, природный газ и уголь (в зависимости от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в породах). Теперь в ограниченных количествах добывают это ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигая его, в определённом смысле завершают круговорот углерода. По 2-му пути миграция С осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где CO2 переходит в H2CO3, HCO31-, CO32-. Затем с помощью растворенного в воде кальция происходит осаждение карбонатов CaCO3 биогенным и абиогенным путями. Возникают мощные толщи известняков. Наряду с этим большим круговоротом углерода существует еще ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане. В пределах суши, где существуют растения, CO2 атмосферы поглощается в процессе фотосинтеза в дневное время. В ночное время часть его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием CO2. Особое место в современном круговороте веществ занимает массовое сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания CO2 в атмосфере, связанное с ростом промышленного производства и транспорта. Кислород. Кислород - наиболее активный газ. В пределах биосферы происходит быстрый обмен кислорода среды с живыми организмами или их остатками после гибели. В составе земной атмосферы кислород занимает второе место после азота. Господствующей формой нахождения кислорода в атмосфере является молекула  . Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен, поскольку он вступает во множество химических соединений минерального и органического миров. Свободный кислород современной земной атмосферы является побочным продуктом процесса фотосинтеза зеленых растений и его общее количество отражает баланс между продуцированием кислорода и процессами окисления и гниения различных веществ. В истории биосферы Земли наступило такое время, когда количество свободного кислорода достигло определенного уровня и оказалось сбалансированным таким образом, что количество выделяемого кислорода стало равным количеству поглощаемого кислорода. Круговорот воды. Нагреваемые солнцем воды планеты испаряются. Выпадающая живительным дождем влага возвращается обратно в океан в качестве речных вод или очищенных фильтрацией грунтовых вод, перенося огромное количество неорганических и органических соединений. Живые организмы активно участвуют в круговороте воды, являющейся необходимым компонентом процессов метаболизма (о биологической роли воды см. § 1). На суше большая часть вод испаряется растениями, уменьшая водосток и препятствуя эрозии почвы. Поэтому при вырубке лесов поверхностный сток увеличивается сразу в несколько раз и вызывает интенсивный размыв почвенного покрова. Лес замедляет таяние снега, и талая вода, постепенно стекая, хорошо увлажняет поля. Уровень грунтовых вод повышается, а весенние наводнения редко бывают разрушительными. Влажные тропические леса смягчают жаркий экваториальный климат, задерживая и постепенно испаряя воду (это явление называют транспирацией). Вырубка тропических лесов вызывает в близлежащих районах катастрофические засухи. Хищническое уничтожение лесов способно превратить в пустыни целые страны, как это уже случилось в северной Африке. Круговорот воды, регулируемый растительностью, — важнейшее условие поддержания жизни на Земле. 5.Круговорот Азота,фосфора,серы в биосфере. Фосфор входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутрь клеток. В различных минералах P содержится в виде неорганического фосфат иона (PO43-). Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. Растения поглощают PO43- из водного раствора и включают фосфор в состав различных органических соединений, где он выступает в форме т.н. органического фосфата. По пищевым цепям P переходит от растений ко всем прочим организмам экосистемы. При каждом переходе велика вероятность окисления содержащегося P соединения в процессе клеточного дыхания для получения органической энергии. Когда это происходит, фосфат в составе мочи или ее аналога вновь поступает в окружающую среду, после чего снова может поглощаться растениями и начинать новый цикл. В отличие, например, от CO2, который, где бы он ни выделялся в атмосферу, свободно переносится в ней воздушными потоками, пока снова не усвоится растениями, у фосфора нет газовой фазы и, следовательно, нет «свободного возврата» в атмосферу. Попадая в водоемы, фосфор насыщает, а иногда и перенасыщает экосистемы. Обратного пути, по сути дела, нет. Что-то может вернуться на сушу с помощью рыбоядных птиц, но это очень небольшая часть общего количества, оказывающаяся к тому же вблизи побережья. Океанические отложения фосфата со временем поднимаются над поверхностью воды в результате геологических процессов, но это происходит в течение миллионов лет. Азот. При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается в NH4, который под влиянием живущих в почве трифицирующих бактерий окисляется в азотную кисл оту. Она вступая в реакцию с находящимся в почве карбонатами (например с СаСО3), образует нитраты: 2HN03 + СаСО3 Са(NО3)2 + СО2 + Н20 Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении органических веществ, при сжигание дров, каменного угля, торфа. Кроме того, существуют бактерии, которые при недостаточном доступе воздуха могут отнимать O2 от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих денитрифицирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) пере ходит в недоступную (свободный азот). Т.о., далеко не весь азот, входивший в состав погибших растений, возвращается обратно в почву; часть его постепенно выделяется в свободном виде. Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы привести к полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не существовали процессы возмещения потери азота. К таким процессам относятся прежде всего про исходящие в атмосфере электрические разряды, при которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота; последние с водой дают азотную кислоту, превращаясь в почве в ни траты. Другим источником попадания азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих бак терий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вы зывая образования характерных вздутий — «клубеньков». Усваи вая атмосферный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества. Таким образом, в природе совершается непрерывный круговорот азота. Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части растений, например зерно. Поэтому в почву необходимо вносить удобрения, возмещающие убыль в ней важных элементов питания растений. Круговорот серы. Сера входит в состав ряда аминокислот и белков. Соединения серы поступают в круговорот в основном в виде сульфидов из продуктов выветривания пород суши и морского дна. Ряд микроорганизмов (например, хемосинтезирующие бактерии) способны переводить сульфиды в доступную для растений форму — сульфаты. Растения и животные отмирают, минерализация их остатков редуцентами возвращает соединения серы в почву. Так, серобактерии окисляют до сульфатов образующийся при разложении белков сероводород. Сульфаты способствуют переводу труднорастворимых соединений фосфора в растворимые. Количество минеральных соединений, доступных растениям, возрастает, улучшаются условия для их питания. Ресурсы серосодержащих полезных ископаемых весьма  значительны, а избыток этого элемента в атмосфере, приводящий к кислотным дождям и нарушающий процессы фотосинтеза вблизи промышленных предприятий, уже беспокоит ученых. Количество серы в атмосфере существенно увеличивается при сжигании природного топлива.6.Фотосинтез. Роль продуцентов в экосистемах.  Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ, которые необходимы для поддержания жизни. Главным источником энергии для подавляющего большинства живых организмов на Земле является Солнце. Фотосинтезирующие организмы (зеленые растения, цианобактерии, некоторые бактерии) непосредственно используют энергию солнечного света. При этом из углекислого газа и воды образуются сложные органические вещества, в которых часть солнечной энергии накапливается в форме химической энергии. Органические вещества служат источником энергии не только для самого растения, но и для других организмов экосистемы. Высвобождение заключенной в пище энергии происходит в процессе дыхания. Продукты дыхания — углекислый газ, вода и неорганические вещества — могут вновь использоваться зелеными растениями. В итоге вещества в данной экосистеме совершают бесконечный круговорот. При этом энергия, заключенная в пище, не совершает круговорот, а постепенно превращается в тепловую энергию и уходит из экосистемы. Поэтому необходимым условием существования экосистемы является постоянный приток энергии извне (рис. 14.5).  Рис. 14.5. Сулммарный поток энергии (темные стрелки) и круговорот веществ (светлые стрелки) в экосистеме. Таким образом, основу экосистемы составляют автотрофные организмы —продуценты (производители, созидатели), которые в процессе фотосинтеза создают богатую энергией пищу — первичное органическое вещество. В наземных экосистемах наиболее важная роль принадлежит высшим растениям, которые, образуя органические вещества, дают начало всем трофическим связям в экосистеме, служат субстратом для многих животных, грибов и микроорганизмов, активно влияют на микроклимат биотопа. В водных экосистемах главными производителями первичного органического вещества являются водоросли. Готовые органические вещества используют для получения и накопление энергии гетеротрофы, или консументы (потребители). К гетеротрофам относятся растительноядные животные (консументы I Порядка), плотоядные, живущие за счет растительноядных форм (консументы II порядка), потребляющие других плотоядных (консументы Ш порядка) и т. д. Особую группу консументов составляют редуценты (разрушители, или] деструкторы), разлагающие органические остатки продуцентов и консументов до простых неорганических соединений, которые затем используются продуцентами. К редуцентам относятся главным образом микрорганизмы — бактерии и грибы. В наземных экосистемах особенно важное значение имеют почвенные редуценты, вовлекающие в общий круговорот органические вещества отмерших растений (они потребляют до 90% первичной продукции леса). Таким образом, каждый живой организм в составе экосистемы занимает определенную экологическую нишу (место) в сложной системе экологических взаимоотношений с другими организмами и абиотическими условиями среды. 7.Пищевые цепи и трофические уровни. Внутри экологической системы органические вещества создаются автотрофными организмами (например, растениями). Растения поедают животные, которых, в свою очередь, поедают другие животные. Такая последовательность называется пищевой цепью; каждое звено пищевой цепи называется трофическим уровнем (греч. trophos «питание»).
Организмы первого трофического уровня называются первичными продуцентами. На суше большую часть продуцентов составляют растения лесов и лугов; в воде это, в основном, зелёные водоросли. Кроме того, производить органические вещества могут синезелёные водоросли и некоторые бактерии. Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами, третьего трофического уровня – вторичными консументами и т. д. Первичные консументы – это травоядные животные (многие насекомые, птицы и звери на суше, моллюски и ракообразные в воде) и паразиты растений (например, паразитирующие грибы). Вторичные консументы – это плотоядные организмы: хищники либо паразиты. В типичных пищевых цепях хищники оказываются крупнее на каждом уровне, а паразиты – мельче. Существует ещё одна группа организмов, называемых редуцентами. Это сапрофиты (обычно, бактерии и грибы), питающиеся органическими остатками мёртвых растений и животных (детритом). Детритом могут также питаться животные – детритофаги, ускоряя процесс разложения остатков. Детритофагов, в свою очередь, могут поедать хищники. В отличие от пастбищных пищевых цепей, начинающихся с первичных продуцентов (то есть с живого органического вещества), детритные пищевые цепи начинаются с детрита (то есть с мёртвой органики).
В схемах пищевых цепей каждый организм представлен питающимся организмами какого-то определённого типа. Действительность намного сложнее, и организмы (особенно, хищники) могут питаться самыми разными организмами, даже из различных пищевых цепей. Таким образом, пищевые цепи переплетаются, образуя пищевые сети. Пищевые сети служат основой для построения экологических пирамид. Простейшими из них являются пирамиды численности, которые отражают количество организмов (отдельных особей) на каждом трофическом уровне. Для удобства анализа эти количества отображаются прямоугольниками, длина которых пропорциональна количеству организмов, обитающих в изучаемой экосистеме, либо логарифму этого количества. Часто пирамиды численности строят в расчёте на единицу площади (в наземных экосистемах) или объёма (в водных экосистемах). В пирамидах численности дерево и колосок учитываются одинаково, несмотря на их различную массу. Поэтому более удобно использовать пирамиды биомассы, которые рассчитываются не по количеству особей на каждом трофическом уровне, а по их суммарной массе. Построение пирамид биомассы – более сложный и длительный процесс.
Пирамиды биомассы не отражают энергетической значимости организмов и не учитывают скорость потребления биомассы. Это может приводить к аномалиям в виде перевёрнутых пирамид. Выходом из положения является построение наиболее сложных пирамид – пирамид энергии. Они показывают количество энергии, прошедшее через каждый трофический уровень экосистемы за определённый промежуток времени (например, за год – чтобы учесть сезонные колебания). В основание пирамиды энергии часто добавляют прямоугольник, показывающий приток солнечной энергии. Пирамиды энергии позволяют сравнивать энергетическую значимость популяций внутри экосистемы. Так, доля энергии, проходящей через почвенных бактерий, несмотря на их ничтожную биомассу, может составлять десятки процентов от общего потока энергии, проходящего через первичных консументов. Органическое вещество, производимое автотрофами, называется первичной продукцией. Скорость накопления энергии первичными продуцентами называется валовой первичной продуктивностью, а скорость накопления органических веществ – чистой первичной продуктивностью. ВПП примерно на 20 % выше, чем ЧПП, так как часть энергии растения тратят на дыхание. Всего растения усваивают около процента солнечной энергии, поглощённой ими.
|
5