Конспект лекций по экологии для заочников. Лекция Краткая история и предмет экологии

• Название: Лекция Краткая история и предмет экологии
• Анкор: Конспект лекций по экологии для заочников.doc
• Дата: 23.03.2017
• Размер: 0.87 Mb.
• Имя файла: Конспект лекций по экологии для заочников.doc
• Тип: Лекция; #4111
• Категория: Экология
• страница: 6 из 15

Количественное изучение биогеохимических циклов.

Количественное изучение биогеохимических циклов включает изучение скоростей циркуляции и оценку имеющихся запасов.

Знание объемов фондов необходимо для расчета возможных нагрузок на экосистему.

Для определения же структуры и функции экосистемы важнее оценить скорости обмена или переноса веществ, нежели количество веществ, находящихся в данное время в данном месте. Действительно, низкое содержание доступного вещества может означать, что система либо истощена, либо ее метаболизм весьма интенсивен; понять ситуацию, оценить продуктивность системы можно только в том случае, если измерить скорость потока элемента. Для высокопродуктивных систем и для поддержания высокого уровня продукции органических веществ скорость миграции важнее, чем концентрация элемента.

Очень важный для практики вывод, вытекающий из многих интенсивных исследований круговоротов биогенных элементов, состоит в том, что избыток удобрений может оказаться столь же невыгодным для человека, как и их недостаток; если в систему вносится больше веществ, чем могут использовать активные в данный момент организмы, излишек быстро связывается почвой и отложениями или исчезает в результате выщелачивания, становясь недоступным именно в тот период, когда рост организмов наиболее желателен. Более того, неразумные субсидии могут обернуться источником стресса.
Для сравнения скоростей обмена между разными компонентами экосистемы вводят понятие оборота. Если говорить об обмене после установления равновесия, то скорость оборота - это та часть общего количества данного вещества в данном компоненте системы, которая высвобождается (или поглощается) за определенное время; а время оборота представляет собой обратную величину, то есть время необходимое для полной смены всего количества этого вещества в данном компоненте экосистемы. Например, если в компоненте содержится 1000 ед. вещества и в 1 час поступает или убывает 10 ед., то скорость оборота равна 10/1000, или 0,01, т.е. 1% в час. Время оборота будет равно 1000/10, или 100 часам. Количественные характеристики биогеохимических циклов изучены еще недостаточно, особенно в крупных системах. В последние 30 - 40 лет с усовершенствованием разнообразных, используемых в экологии современных методов, в том числе метода радиоактивных индикаторов, масс-спектрометрии, автоматического слежения и дистанционных измерений, появилась возможность измерять скорости циркуляции в довольно обширных экосистемах (озеро, лес) и приступить к самой важной задаче - получить количественную оценку биогеохимических круговоротов в глобальном масштабе.

Применение радионуклидов в качестве индикаторов, или "меток" дало огромный толчок этим исследованиям. В эксперименте в экосистему или в отдельные организмы вводят изотоп в крайне малых количествах по сравнению с уже имеющимися в системе количествами нерадиоактивного элемента, так что в системе не происходит никаких нарушений ни за счет радиоактивности, ни за счет изменения концентрации. Все, что происходит с меткой (даже самые малые количества которой выявляются благодаря ее заметному излучению), отражает то, что обычно происходит в системе с интересующим нас элементом. Использование радионуклидов также открыло возможность анализа разных частей экосистемы посредством составления блоковых схем и разработки и "настраивания" усовершенствованных математических моделей.

Наиболее интересный вывод, к которому приводит обобщение и анализ имеющихся результатов по количественным оценкам биогеохимических циклов заключается в том, что вид не обязательно должен входить в пищевую цепь человека, чтобы быть полезным ему. Многие виды приносят пользу косвенным путем, что остается незамеченным при поверхностном взгляде. Как показывают сейчас наблюдения и усовершенствованные модели, причинно-следственные взаимоотношения между многими видами управляют переносом веществ и энергии в компоненты экосистем, которые непосредственно связаны с человеком.
Лекция 9. Круговороты основных биогенных элементов

1. Глобальный круговорот воды.

2. Глобальный круговорот углерода.

3. Круговорот кислорода.

4. Типы фотосинтеза и организмов-продуцентов.

5. Типы катаболизма и организмов-разрушителей.

6. Общий баланс процессов продукции и разложения.

Глобальный круговорот воды.

Круговороты воды и СО₂ в глобальном масштабе представляют собой, вероятно, самые важные для человечества биогеохимические круговороты. Для обоих характерны небольшие, но весьма подвижные фонды в атмосфере, высокочувствительные с нарушениям, которые вызываются деятельностью человека и которые могут влиять на погоду и климат.

Несмотря на то, что вода участвует в химических реакциях, из которых слагается и фотосинтез, большая часть потока воды, проходящего через экосистему, связана с испарением, транспирацией (испарение растениями) и выпадением осадков.

Круговорот воды, или гидрологический цикл, как и любой другой круговорот, приводится в движение энергией. Поглощение световой энергии жидкой водой представляет собой главную точку, в которой источник энергии сопряжен с круговоротом воды. По оценкам, около трети всей поступающей на Землю солнечной энергии затрачивается на приведение в движение круговорота воды.

Более 90 % имеющейся на земном шаре воды связано в горных породах, образующих земную кору, и в отложениях (льда и снега) на поверхности Земли. Эта вода вступает в происходящий в экосистеме гидрологический цикл очень редко: лишь при вулканических выбросах водяных паров. Таким образом, большие запасы воды, имеющиеся в земной коре, вносят весьма незначительный вклад в передвижение воды вблизи поверхности Земли, составляя основу резервного фонда этого круговорота.

Фонд воды в атмосфере невелик (составляет около 3%). Вода, содержащаяся в воздухе в виде пара в любой данный момент, соответствует в среднем слою толщиной 2,5 см, равномерно распределенному по поверхности Земли. Количество осадков, выпадающих за год, составляет в среднем 65 см, что в 25 раз больше того количества влаги, которое содержится в атмосфере в любой данный момент. Следовательно, водяные пары, постоянно содержащиеся в атмосфере, так называемый атмосферный фонд, ежегодно совершают круговорот 25 раз. Соответственно время переноса воды в атмосфере равно в среднем двум неделям.

Содержание воды в почве, реках, озерах и океанах в сотни тысяч раз больше, чем в атмосфере. Однако она протекает через оба эти фонда с одинаковой скоростью, поскольку испарение сбалансировано с выпадением осадков. Среднее время переноса воды в ее жидкой фазе по поверхности Земли, равное 3650 годам, в 105 раз больше, чем время ее переноса в атмосфере.

Особое внимание следует обратить на следующие аспекты круговорота воды:

1. Море теряет из-за испарения больше воды, чем получает с осадками; на суше ситуация противоположная. Т.о. значительная часть осадков, поддерживающих экосистемы суши, в том числе большинство агроэкосистем, состоит из воды, испаренной из моря.

2. Важная, если не главная роль транспирации растений в общей эвапотранспирации (испарении) с суши. Влияние, оказываемое растительностью на движение воды, выявляется лучше всего при удалении растительности. Так экспериментальная вырубка всех деревьев в бассейнах небольших рек увеличивает сток воды в реки, дренирующие расчищенные участки, более чем на 200%. В нормальных условиях этот излишек в виде водяного пара траспирировался бы непосредственно в атмосферу.

3. Хотя поверхностный сток пополняет резервуары грунтовых вод и сам пополняется от них, эти величины имеют обратную зависимость. В результате деятельности человека (покрытия земной поверхности непроницаемыми для воды материалами, создания водохранилищ на реках, строительства оросительных систем, уплотнения пахотных земель, сведения лесов и т.д.) сток увеличивается и пополнение столь важного фонда грунтовых вод сокращается. Во многих засушливых районах резервуары грунтовых вод сейчас быстрее выкачиваются человеком, чем пополняются природой.

Глобальный круговорот углерода.

В биологическом круговороте углерода участвуют только органические соединения и диоксид углерода; фотосинтез и дыхание полностью комплементарны. Весь ассимилированный в процессе фотосинтеза углерод включается в углеводы, а в процессе дыхания углерод, содержащийся в органических соединениях, превращается в диоксид углерода.
Обширные фонды углерода неорганического происхождения - атмосферный диоксид углерода, растворенный диоксид углерода (главным образом в форме HCO3-), угольная кислота и карбонатные отложения - участвуют в круговороте углерода в различной степени. Обмен между углеродом, содержащимся в изверженных породах, отложениях карбоната кальция, каменном угле и нефти, и другими более активными его фондами происходит настолько медленно, что влияние этого углерода на краткосрочное функционирование экосистем незначительно.

В круговороте СО2 атмосферный фонд очень невелик, в сравнении с запасами углерода в океанах, в ископаемом топливе и других резервуарах земной коры. Полагают, что до наступления индустриальной эры потоки углерода между атмосферой, материками и океанами были сбалансированы.

В основе этого баланса лежит регулирующая деятельность зеленых растений и поглощающая способность карбонатной системы моря. Когда более 2 млрд. лет назад на Земле появилась жизнь, атмосфера состояла из вулканических газов. В ней было много СО2 и мало кислорода (а быть может, его не было совсем), и первые организмы были анаэробными. В результате того, что продукция в среднем слегка превосходила дыхание, за геологическое время в атмосфере накопился кислород и уменьшилось содержание СО2. Накоплению кислорода способствовали также геологические и чисто химические процессы, например высвобождение его из оксидов железа или образование восстановленных соединений азота и расщепление воды ультрафиолетовым излучением с выделением кислорода. Низкое содержание СО₂, также как высокие концентрации О2 служат лимитирующими факторами для фотосинтеза: для большинства растений характерно увеличение интенсивности фотосинтеза, если в эксперименте увеличивается содержание CО2 или понижается содержание О₂. Таким образом, зеленые растения оказываются весьма чувствительным регулятором содержания этих газов.

Фотосинтезирующий "зеленый пояс" Земли и карбонатная система моря поддерживают постоянный уровень содержания СО2 в атмосфере. Но в последнем столетии стремительно возрастающее потребление горючих ископаемых вместе с уменьшением поглотительной способности "зеленого пояса" начинает превосходить возможности природного контроля, так что содержание СО₂ в атмосфере, сейчас постепенно возрастает. Действительно, наибольшим изменениям подвержены потоки веществ на входе и на выходе небольших обменных фондов. Полагают, что в начале промышленной революции (примерно 1800 г.) в атмосфере Земли содержалось около 290 частей СО₂ на миллион (0,029 %). В 1958 г., когда были впервые проведены точные измерения, содержание составило 315, а в 1960 г. оно выросло до 335 частей на миллион. Если концентрация вдвое превысит доиндустриальный уровень, что может случишься к середине будущего века, вероятно потепление климата Земли: температура в среднем повысится на 1,5 - 4,5°С, и это наряду с подъемом уровня моря (в результате таяния полярных шапок) и изменением распределения осадков может погубить сельское хозяйство.

Считают, что в следующем веке может установиться новое, но ненадежное равновесие между увеличением содержания СО₂ (способствующего разогреву Земли) и усилением загрязнения атмосферы пылью и другими частицами, отражающими излучение и этим охлаждающими планету. Любое значительное результирующее изменение теплового бюджета Земли тогда повлияет на климат.
Основным источником поступления "парникового газа" СО₂ считается сжигание горючих ископаемых, однако свой вклад вносят также развитие сельского хозяйства и сведение лесов. Может показаться удивительным, что сельское хозяйство в конечном счете приводит к потере СО₂ из почвы (то есть вносит в атмосферу больше, чем забирает оттуда), но дело в том, что фиксация СО₂ сельскохозяйственными культурами, многие из которых активны лишь часть года, не компенсирует количества СО₂, высвобождающееся из почвы, особенно в результате частой вспашки. Леса - важные накопители углерода, так как в биомассе лесов содержится в 1,5 раза, а в лесном гумусе - в 4 раза больше углерода, чем в атмосфере. Сведение леса, разумеется, может высвободить углерод, накопленный в древесине, особенно если она немедленно сжигается. Уничтожение леса, особенно при последующем использовании этих земель для сельского хозяйства или строительства городов, приводит к окислению гумуса.
Кроме СО₂ в атмосфере присутствуют в небольших количествах еще два соединения углерода: оксид углерода (СО)- примерно 0,1 части на миллион и метан (СH4) - около 1,6 части на миллион. Как и СО₂, эти соединения находятся в быстром круговороте и поэтому имеют небольшое время пребывания в атмосфере - около 0,1 года для СО; 3,6 года для СH4 и 4 года для СО₂.

И СО, и СH₄ образуются при неполном или анаэробном разложении органического вещества; в атмосфере оба окисляются до СО₂. Столько же СО, сколько попадает в атмосферу в результате естественного разложения, вносится в нее сейчас при неполном сгорании горючих ископаемых, особенно с выхлопными газами. Накопление монооксида углерода - этого смертельного яда для человека - в глобальном масштабе не представляет собой угрозы, но в городах, где воздух застаивается, повышение концентрации этого газа в атмосфере начинает становиться угрожающим, достигая 100 частей на миллион.

Производство метана - одна из важнейших функций водно-болотистых угодий и мелководных морей мира. Метан, как полагают, имеет полезную функцию: он поддерживает стабильность озонного слоя в верхней атмосфере, который блокирует смертельно опасное ультрафиолетовое излучение Солнца.

Круговорот кислорода.

Вторым по содержанию в атмосфере после азота является кислород, составляющий 20,95% ее по объему. Гораздо большее его количество находится в связанном состоянии в молекулах воды, в солях, а также в оксидах и других твердых породах земной коры, однако к этому огромному фонду кислорода экосистема не имеет непосредственного доступа. Время переноса кислорода в атмосфере составляет около 2500 лет, если пренебречь обменом кислорода между атмосферой и поверхностными водами.

Механизм круговорота кислорода достаточно прост. Полагают, что молекула кислорода (О₂) , образующаяся при фотосинтезе, получает один свой атом от диоксида углерода, а другой - от воды; молекула кислорода, потребляемая при дыхании, отдает один свой атом диоксиду углерода, а другой - воде. Таким образом, круговорот кислорода завязан на процессы фотосинтеза и дыхания, с которыми интересно будет познакомиться.

Типы фотосинтеза и организмов-продуцентов.

С химической точки зрения процесс фотосинтеза включает запасание части энергии солнечного света в виде потенциальной энергии пищи. Общее уравнение окислительно-восстановительной реакции можно записать следующим образом:

СО2 +2 H2A {СН2O} + H2О +2A

окисление описывается уравнением:

H2A - 2e- 2H+ +A;

а восстановление :

СО2 +4H+ + 4e- {СН2O}+ H2О.

Для зеленых растений (водорослей, высших растений) А - это кислород; вода окисляется с высвобождением газообразного кислорода, а диоксид углерода восстанавливается до углеводов ({СН2O}) с высвобождением воды. Такой тип фотосинтеза носит название "нормального фотосинтеза".

При бактериальном фотосинтезе, напротив, H2A - восстановитель - не вода, а либо неорганическое соединение серы, например сероводород H2S, как у зеленых и пурпурных серобактерий, либо органическое соединение, как у пурпурных и бурых несерных бактерий. Соответственно при бактериальном фотосинтезе этих типов кислород не выделяется.

Фотосинтезирующие бактерии в основном водные морские и пресноводные организмы; в большинстве случаев они играют незначительную роль в продукции органического вещества. Но они способны функционировать в условиях, в общем неблагоприятных для большинства зеленых растений, и в водных отложениях участвуют в круговороте некоторых элементов. Бактериальный фотосинтез может быть полезен в загрязненных и эвтрофных (кормных) водах, восстановленных зонах с ограниченным доступом света, в стоячих озерах, богатых сероводородом, где на его долю может приходиться до 30% общей продукции.
Установлено, что у высших растений существуют разные биохимические механизмы восстановления диоксида углерода до углеводов, сопровождающегося выделением кислорода. У большинства растений фиксация диоксида углерода идет по С3- пентозофосфатному пути, или циклу Кальвина. Иной путь - по циклу С4 - дикарбоновых кислот. При обсуждении экологических последствий этих особенностей растения в соответствии с характером протекающих у них процессов фотосинтеза называют С3-растениями или С4-растениями. Эти растения по-разному реагируют на свет, температуру и воду. У первых максимальная интенсивность фотосинтеза (на единицу поверхности листа) обычно наблюдается при умеренных освещенности и температуре, а высокие температуры и яркий солнечный свет подавляют фотосинтез. Напротив, С4-растения адаптированы к яркому свету и высокой температуре и в таких условиях значительно превосходят по продуктивности С3-растения. Кроме того, они более эффективно используют воду: как правило, на производство 1 г сухого вещества им требуется менее 400 г воды, а С3- -растениям - от 400 до 1000 г воды. К тому же фотосинтез у С4-растений не ингибируется высокими концентрациями кислорода, как это происходит у С3-видов. Одна из причин того, что С4-растения более эффективны у верхних пределов световой и температурной шкал, состоит в том, что у них невелико фотодыхание, т.е. при увеличении освещенности продукты фотосинтеза не тратятся на дыхание.

Хотя в пересчете на площадь листвы эффективность фотосинтеза у С3-растений ниже, эти растения создают большую часть фотосинтетической продукции мира, возможно потому, что они более конкурентноспособны в смешанных сообществах, где растения затеняют друг друга и где освещенность, температура и другие показатели ближе к средним значениям, чем к предельным. Это еще один хороший пример принципа эмерджентности. Выживание наиболее приспособленных в реальном мире - не всегда выживание видов, физиологически более эффективных в оптимальных условиях в монокультуре; чаще выживают виды, преуспевающие в смешанной культуре в изменчивых и не всегда оптимальных условиях. Иными словами, то, что эффективно в изоляции, не обязательно эффективно в сообществе, где на естественный отбор сильно влияют межвидовые взаимодействия.

Как и следовало ожидать, С4- виды преобладают среди растительности пустынь и степей в теплом и тропическом климате и редки в лесах и на севере, где освещенность и температура низкие.

Недавно был открыт еще один способ фотосинтеза, приспособленный к условиям пустынь и получивший название САМ - метаболизм (кислотный метаболизм толстенковых). У некоторых жителей пустыни, в том числе кактусов, устьица на протяжении жаркого дня закрыты и открываются только прохладной ночью. Диоксид углерода, поглощаемый через устьица, накапливается в форме органических кислот и фиксируется в углеводах только на следующий день. Такая задержка фотосинтеза значительно уменьшает дневные потери воды, усиливая этим способность растений сохранять водный баланс и запасы воды.
Микроорганизмы, которых называют хемосинтезирующими бактериями, относят к хемолитотрофам, потому что они получают энергию для включения диоксида углерода в состав компонентов клетки не за счет фотосинтеза, а в результате химического окисления простых неорганических соединений, например аммиака (в нитрит), нитрита (в нитрат), сульфида (в серу), двухвалентного железа (в трехвалентное). Такие микроорганизмы могут расти в темноте, но большинству из них нужен кислород. В качестве примера можно привести различные азотные бактерии, играющие важную роль в круговороте азота. Благодаря способности функционирования в отсутствие света - в осадках, почве и на дне океанов- хемосинтезирующие бактерии не только играют роль в извлечении минеральных питательных веществ, они используют энергию, которая иначе была бы недоступна консументам.

Большинство высших (семенных) растений и многие виды водорослей используют только простые неорганические вещества и, следовательно, являются полностью автотрофными. Но некоторые водоросли нуждаются в каком-то одном (определенном) сложном органическом "ростовом веществе", которое они сами не способны синтезировать. Другие виды нуждаются в двух, трех или многих таких "ростовых веществах" и, следовательно, являются частично гетеротрофными; организмы, занимающие промежуточное положение между автотрофами и гетеротрофами, называются ауксотрофными.

В глобальном масштабе эволюционно наиболее развитые формы жизни можно четко разделить на автотрофов и гетеротрофов, причем для выживания последних необходим газообразный кислород. Но многие виды и штаммы низших микроорганизмов - бактерий, грибов, низших водорослей и простейших - не столь специализированы, они приспособлены к промежуточному способу существования и могут с автотрофии переключаться на гетеротрофию, жить в присутствии и в отсутствии кислорода.