Первый, основной, принцип функционирования экосистем: получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов.Таким образом,главная особенность природной экосистемы состоит в том, что в ней происходит круговорот веществ. Основной причиной неустойчивости экосистемы является несбалансированность круговорота веществ.

Второй основной принцип функционирования экосистем: существование за счет не загрязняющей воздух и практически вечной солнечной энергии, количество которой постоянно и избыточно.

Функциями экосистем являются:

Синтез органического вещества;

Деструкция органического вещества;

Круговорот веществ;

Поток энергии для жизнедеятельности организмов.

В каждую экосистему входят группы организмов разных видов, различаемых по способу питания:

Автотрофы(продуценты);

Гетеротрофы (консументы, детритофаги, редуценты).

3.2.4. Биологическая продуктивность экосистем

Все живые компоненты экосистемы - продуценты, консументы и редуценты - образуют биомассу («живой вес»). Биомасса - это органическое вещество, имеющееся в экосистеме в данный конкретный момент. Биомассу выражают в единицах массы на единицу площади, например [тонна/га, г/кв.м ].

Прирост биомассы за единицу времени называется продуктивностью экосистемы . Продуктивность выражают в единицах массы на единицу площади за единицу времени, например [тонна/га/год, г/кв.м./месяц ].

В связи с тем, что органическое вещество создается на разных трофических уровнях, различают и уровни продуцирования, на которых создается первичная и вторичная продукция .

Органическая масса, создаваемая продуцентами в процессе фото- и хемосинтеза в единицу времени, называется первичной продукцией , а прирост за единицу времени биомассы, создаваемой консументами -вторичной продукцией .

Первичную продукцию также подразделяют на два уровня -валовую и чистую продукцию.

Валовая первичная продукция - общая биомасса, созданная растениями (продуцентами) в процессе фиксирования лучистой энергии Солнца (фотосинтеза). При этом энергия Солнца переходит в химическую энергию связей органических веществ.

6СО 2 + 12Н 2 О + энергия Солнца → С 6 H 12 О 6 + 6О 2 + 6H 2 О

Эффективность усвоения растениями энергии Солнца (КПД фотосинтеза) составляет 0,1- 5%.

Часть образованных органических веществ окисляется, при этом высвобождается энергия. Эта энергия (так называемые «траты на дыхание») расходуется на поддержание жизнедеятельности растений (добычи из почвы воды, солей). Растения тратят на «дыхание» от 40 до 70% от валовой продукции.

Та часть валовой продукции, которая осталась после трат на «дыхание», называется чистой первичной продукцией . Чистая первичная продукция («урожай» экосистемы - прирост растений, плоды, семена) или служит кормом консументам и редуцентам, или накапливается в биосфере.

Количество энергии, превращенное в биомассу всех консументов, называют вторичной продукцией экосистемы .

В стабильных экосистемах биомасса остается постоянной, то есть вся продукция расходуется в цепях питания. Если скорость потребления биомассы консументами отстает от скорости прироста растений, происходит постепенное накопление мертвого органического вещества (заторфовывание болот, образование лесной подстилки).

Самой высокой продуктивностью биомассы обладают тропические леса, самой низкой - пустыни и тундры.

Поскольку на питание консументов идет только чистая первичная продукция, целесообразно увеличивать ее долю в валовой продукции, то есть снижать «траты на дыхание». С этой целью необходимо прикладывать дополнительные усилия (энергию) при выращивании растений (проводить рыхление, полив, прополку). Дополнительный вклад энергии называется энергетической субсидией , а ведение сельского хозяйства с применением энергетических субсидий называют интенсивным , или индустриальным . Интенсивное ведение сельского хозяйства является очень дорогостоящим, так как при этом затрачиваются огромные количества энергии, что делает высокие уровни продукции невыгодными. Эту закономерность называют «законом снижения эффективности энергозатрат» К. Тюрго .

3.2.5. Перенос энергии в экосистемах

Энергия необходима организмам для их жизнедеятельности: роста, развития, размножения.

Главным источником энергии для всех экосистем Земли является Солнце. В соответствии с I законом термодинамики зеленые растения (автотрофы ) в процессе фотосинтеза превращают энергию солнечного света в химическую энергию, заключенную в молекулах синтезированных ими органических веществ.

Фотосинтез - это процесс образования (синтеза) органических соединений из неорганических веществ, идущий за счет световой энергии. При фотосинтезе за счет энергии Солнца углерод включается в органические соединения, составляющие основу живых организмов, а кислород высвобождается и обеспечивает обогащение атмосферы Земли.

6СО 2 + 12Н 2 О + энергия → С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 + 6Н 2 О

Для осуществления фотосинтеза растениям необходим хлорофилл - вещество зеленого цвета, поглощающее солнечные лучи. Хлорофилл содержится во внутренних мембранах хлоропластов - специальных отделах растительной клетки.

Фотосинтезпроходит в две стадии: световую и темновую. В световой фазе фотосинтеза энергия солнечного излучения используется хлоропластами для синтеза АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) - вещества, особо богатого энергией, используемого клеткой для всех дальнейших процессов жизнедеятельности. Световая фаза идет только при свете, при этом происходит фотолиз воды с образованием молекулярного кислорода, электронов и протонов по уравнению:

2Н 2 О→4Н + +О 2 +4е

В темновой фазе из диоксида углерода и водорода при участии ферментов образуется глюкоза:

6СО 2 +24Н + С 6 Н 12 О 6 +6Н 2 О

Углеводы, получившиеся в процессе фотосинтеза, используются как исходный материал при последующем синтезе других органических соединений.

Организмы-гетеротрофы разрывают химические связи в сложных молекулах пищевых веществ, получая при этом энергию и простые вещества, и строят свои структуры. Реакция окисления пищи вдыхаемым кислородом происходит по реакции, обратной реакции фотосинтеза:

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 → 6СО 2 + 12Н 2 О + {энергия}

Помимо автотрофов органическое вещество в природе могут синтезировать хемотрофы(хемоавтотрофы) – бактерии, использующие не световую, а химическую энергию, получаемую ими за счет окисления неорганических соединений (серы, водорода, аммиака, азота, железа и др.). К хемосинтезу способны только хемосинтезирующие бактерии (нитрофицирующие, водородные, железобактерии и др.).

Так, например, нитрофицирующие бактерии окисляют аммиак до азотной кислоты по уравнению:

3NH 3 +3O 2 →2HNO 2 +2H 2 O+энергия.

Высвобождающаяся в ходе реакций энергия запасается бактериями в виде молекул АТФ и используется для синтеза органических соединений.

Среди бактерий-хемотрофов много анаэробов , которые не нуждаются в контакте с атмосферой, и даже облигатных анаэробов , гибнущих в кислородной атмосфере.

Хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в биосфере. Они участвуют в очистке сточных вод, способствуют накоплению в почве минеральных веществ, способствующих увеличению плодородия почв.

При переносе энергии с одного трофического уровня на другой превращения энергии идут в одном направлении (энергия убывает), поэтому можно говорить о потоке энергии . Потоки энергии подчиняются Второму закону термодинамики согласно которому в закрытых системах энергия стремится распределиться равномерно, т.е. система стремится к состоянию максимальной энтропии (разупорядочению). Однако живые тела, экосистемы и биосфера в целом способны создавать и поддерживать состояние с высокой степенью внутренней упорядоченности, т.е. состояния с низкой энтропией. «Средство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (на низком уровне энтропии), состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды» (Э.Шредингер ). Другими словами, живой организм, для которого состояние максимальной энтропии означает смерть, извлекает «отрицательную энтропию» из окружающей среды, тем самым разрушая ее.

Более низкая энтропия, чем в окружающей среде, является важнейшим термодинамическим свойством живых систем, их отличием от неживых предметов, которые находятся в равновесии со средой.

В соответствии со вторым законом термодинамики при движении энергии по пищевой цепи на каждом этапе часть ее теряется, и на каждый новый этап цепи поступает в среднем 10% энергии с предыдущего. Эту закономерность называют «правилом 10%» Р. Линдемана . В итоге через некоторое число этапов вся энергия оказывается безвозвратно рассеянной в пространстве, что ограничивает число звеньев пищевой цепи до 4 - 6.

3.2.6. Устойчивость экосистем

Устойчивое состояние экосистем, характеризуемое динамическим равновесием между рождаемостью и смертностью, потреблением и расходом вещества и энергии, называется гомеостазом .

В учебной литературе для объяснения механизма сохранения гомеостаза в экосистеме при воздействии на неё негативных факторов, часто приводится иллюстрация к гомеостазу сообщества «волк-олень». Так, если в системе олень-волк численность оленей растет, то за счет этого и волк может увеличить свою численность, не давая оленям слишком быстро размножаться и истребить слишком большое количество растений-продуцентов. Но так как любая экосистемавходит в иерархию (соподчиненность) экосистем, то она постоянно подвергается внешним воздействиям, стремящимся вывести ее из равновесия. Если это влияние не слишком грубо, то в ходе экологического дублирования нарушенные связи заменяются другими и процесс передачи вещества и энергии продолжается. (Засуха - снижается продуктивность растений - уменьшение количества и ухудшение упитанности оленей - тогда волки переходят на питание другим видом животных. Если это невозможно, то место волка займет, например, более всеядный медведь). Те особи, для которых помехи оказались непреодолимыми, погибнут, а более стойкие приспособятся и передадут наследственную информацию потомкам. Помехи способствуют эволюции экосистемы в стороны ее совершенствования. Описанный процесс отражает действие закона внутреннего динамического равновесия, согласно которому вещество, энергия, информация и качество отдельных природных систем и их иерархии настолько связаны, что любое изменение одного из этих показателей вызывает изменение всех других показателей. В соответствии с принципом Ле Шателье - Брауна, эти изменения происходят в направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется, т.е. в направлении устойчивости. Таким образом, экосистема сопротивляется воздействиям, нарушающим ее стабильность.

Система тем надежнее, стабильнее, чем больше различных видов в ней обитает (большое биоразнообразие ) и, следовательно, чем больше имеется возможностей для экологического дублирования, тем шире пищевая цепь.

Одним из механизмов поддержания устойчивости биоценозов является экологическое дублирование . Если какой-то вид исчезает, то его место в биоценозе занимает другой со схожим типом питания. Согласно «Правилу экологического дублирования», крупные организмы исчезают раньше и их место занимают мелкие; эволюционно менее организованные сменяют более высокоорганизованных; всегда побеждают те, кто быстрее размножается и изменяется генетически.

3.2.7. Биоразнообразие и его значение

Биоразнообразие – (биологическое разнообразие) - означает разнообразие живых организмов во всех его проявлениях: от генов до биосферы. Все живое генетически различно и имеет тенденцию к увеличению биологической разнородности. Двух совершенно одинаковых особей в природе нет, кроме однояйцевых близнецов и клонов («Закон генетического разнообразия»). Но чаще всего под биоразнообразием понимают разнообразие видов (видовое разнообразие).

Вид - это совокупность особей, сходных между собой, населяющих определенный ареал, способных скрещиваться между собой, давать плодовитое потомство, похожее на родителей и отличающихся от других подобных совокупностей.

Видовое разнообразиеотражает разнообразие живых организмов (растений, животных, грибов и микроорганизмов). В настоящее время описано примерно 1,5 - 1,7 млн. видов, хотя их общее число, по некоторым оценкам, составляет до 50 млн.

Распределениевидов по поверхности суши неравномерно. Согласно правилу Уоллеса ,«по мере продвижения с севера на юг» наблюдается увеличение видового разнообразия организмов. Это касается как видов, так и составляемых ими сообществ: в тропиках значительно больше абсолютное число видов, чем на Севере, и в составе южных сообществ их также намного больше. Разнообразие видов на суше максимально в тропической зоне и уменьшается с увеличением широты. Самые богатые видовым разнообразием экосистемы - дождевые тропические леса, которые занимают около 7 % поверхности планеты и содержат более 90 % всех видов.

На Земле постоянно происходило возникновение и исчезновение видов - все виды имеют конечное время существования. Вымирание компенсировалось появлением новых видов («Правило константности числа видов в биосфере»).

В последние десятилетия происходит сокращение биологического разнообразия за счет вымирания и уничтожения видов. Основной причиной сокращения видов являются: антропогенные воздействия (т.е. деятельность человека: вырубка лесов, увеличение сельскохозяйственных угодий, прокладка новых дорог, строительство и т.д.). При этом быстрее вымирают более специализированные формы, так как их генетические резервы для дальнейшей адаптации снижены (Правило О.Марша )

Сильнейшую угрозу для большинства диких видов в настоящее время представляет уничтожение, сужение и разделение ареалов их обитанияв результате деятельности человека.

Главной причиной снижения численности крупных млекопитающих (слонов, носорогов) в странах Азии и Африки является их чрезмерная добыча. А торговля экзотическими животными и растениями: ведет к их массовой гибели при транспортировке.

По официальным данным, в настоящее время на Земле 50 биологических видов исчезают ежечасно .

Главная причина необходимости сохранения биоразнообразия состоит в том, что оно выполняет ведущую роль в обеспечении устойчивости экосистем и биосферы в целом (поглощение загрязнений, стабилизация климата, обеспечение пригодных для жизни условий). Биоразнообразие выполняет регулирующую функцию в осуществлении всех биогеохимических, климатических и других процессов на Земле. Каждый вид, каким бы незначительным он не казался, вносит свой вклад в обеспечение устойчивости не только "родной" локальной экосистемы, но и биосферы в целом. Каждый вид вносит свой вклад в разнообразие - с этой точки зрения не существует бесполезных и вредных видов.

При увеличении биоразнообразия устойчивость сообщества к изменяющимся условиям среды повышается.

Сокращение видового разнообразия животных и растений ведет к упрощению и снижению устойчивости экосистем. Примером таких систем являются агробиоценозы.

Кроме того, биоразнообразие обеспечивает потребность в биологических ресурсах для удовлетворения нужд человечества (пища, материалы, лекарства и др.), да и с этической точки зрения - жизнь самоценна.

3.2.8. Динамика экосистем

Стремясь к поддержанию гомеостаза, экосистемы тем не менее способны к изменениям, развитию, переходу от более простых к более сложным формам.

Изменения в сообществах могут быть циклическими и поступательными.

Циклические изменения- периодические изменения в биоценозе (суточные, сезонные, многолетние), при которых биоценозвозвращается к исходному состоянию.

Суточные циклы связанны с изменением освещенности, температуры, влажности и других экологических факторов в течение суток и наиболее резко выражены в условиях континентального климата. Суточные ритмы проявляются в изменении состояния и активности живых организмов.

Сезонная цикличность связанна с изменением экологических факторов в течение года и наиболее сильно выражена в высоких широтах, где велик контраст зимы и лета. Листопад относится, например, к явлениям, характеризующимся сезонным ритмом. Сезонная изменчивость проявляется не только в изменении состояния и активности, но и количественного соотношения отдельных видов. На определенный период многие виды выключаются из жизни сообщества, впадая в спячку, оцепенение, перекочевывая или улетая в другие районы.

Многолетняя изменчивость связана с флуктуациями климата или другими внешними факторами (степень разлива рек), либо с внутренними причинами (особенности жизненного цикла растений-эдификаторов, повторение массового размножения животных).

Поступательные изменения - изменения в биоценозе, в конечном счет приводящие к смене этого сообщества другим.

3.2.9. Сукцессия

Сукцессия- последовательная смена биоценозов (экосистем), выраженная в изменении видового состава и структуры сообщества.

Последовательный ряд сменяющих друг друга в сукцессии сообществ называется сукцессионной серией (или сукцессионным рядом) (рис. 21).

К сукцессиям относятся опустынивание степей, зарастание озер и образование болот, и другие.

В зависимости от причин, вызвавших смену биоценоза, сукцессии делят на природные и антропогенные .

Природные сукцессии происходят под действием естественных причин, не связанных с деятельностью человека, например, зарастание озера с непроточной или слабопроточной водой.

Антропогенные сукцессии обусловлены деятельностью человека, например, изменение лесных экосистем после вырубки леса.

Аутогенные сукцессии (самопорождающиеся) возникают вследствие внутренних причин (изменения среды под действием сообщества).

Аллогенные сукцессии (порожденные извне) – вызваны внешними причинами (например, изменения климата).

Рис. 21. Пример типичной наземной сукцессии

В зависимости от первоначально состояния субстрата, на котором развивается сукцессия, различают первичные и вторичные сукцессии.

Первичные сукцессии развиваются на субстрате, не занятом живыми организмами (на скалах, обрывах, сыпучих песках, в новых водоемах и т.п.). Первые поселяющиеся здесь организмы называются пионерами, их главной задачей является образование почвы. Пионерами являются обычно бактерии, накипные и другие виды лишайников и другие. У них нет корней, в почве они не нуждаются. Под действием ветра, солнца, воды и выделяемых пионерами органических кислот скала разрушается и образуется минеральная пыль, а затем почва, в которой поселяются членистоногие, грибы. Затем появляется субстрат, на котором могут расти растения с корнями. Это – начальный биоценозсукцессии – стадия первопоселенцев.

Вторичные сукцессии происходят на месте уже существующих биоценозов после их нарушения (в результате вырубки, пожара, вспашки, распашки степей, извержения вулкана, наводнения, осушения болот).

Сукцессия в процессе своего развития проходит ряд фаз и завершается образованием сообщества, именуемого «климакс-формацией», или просто климаксом.

Когда экосистемаприближается к состоянию климакса, в ней, в соответствии с «законом сукцессионного замедления», происходит замедление всех процессов развития, снижается разнообразие видов.

Согласно принципу «нулевого» максимума климаксные экосистемы, как правило, обладают максимальной биомассой и минимальной, практически нулевой продуктивностью, то есть термодинамически она наиболее рациональны. С приближением к климаксной фазе экологическая система становится более закрытой. Чем глубже нарушенность среды какого-нибудь пространства, тем на более ранних фазах оканчивается сукцессия.

4. БИОСФЕРНАЯ ЭКОЛОГИЯ

Этот раздел экологии выделен в связи с особой ролью биосферы в формировании жизни на Земле.

Термин «биосфера» был предложен австрийским геологом Э.Зюссом в 1875 году, трактовавшим его как область взаимодействия основных оболочек Земли, где встречаются живые организмы. Тем не менее, создателем науки «биосфера» следует считать выдающегося русского ученого В.И.Вернадского, который для обозначения совокупности всех живых организмов на Земле ввел понятие живого вещества и отвел ему роль главнейшей преобразовательной силы на планете Земля .

Границы биосферы . В большинстве случаев в качестве верхней теоретической границы биосферы указывают озоновый слой (толщиной несколько миллиметров) без уточнения его границ. Этот слой расположен на высотах 16-20 км.

Вся толща Мирового океана по современным представлениям полностью занята жизнью.

Нижняя граница биосферы проходит на глубине 3-4 км, максимум 6-7 км на суше и на 1-2 км ниже дна Мирового океана.

Состав биосферы : биотические (живые) и абиотические (неживые) компоненты.

Биотический компонент– это вся совокупность живых организмов (по В.И.Вернадскому – «живое вещество»).

Абиотический компонент- сочетание энергии, воды, определенных химических элементов и других неорганических условий, в которых существуют живые организмы.

Важнейшие свойства биосферы:

- целостность и дискретность – достигается круговоротом вещества и энергии;

- Централизованность - центральным звеном биосферы выступают живые организмы (живое вещество).

- устойчивость и саморегуляция – обеспечиваются гомеостатическими механизмами, которые подчиняются принципу 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;

- ритмичность – повторяемость во времени тех или иных явлений. Ритмические явления не повторяются полностью в конце ритма того состояния природы, которое было в его начале. Именно этим и объясняется направленное развитие природных процессов;

- круговорот веществи энергозависимость . Жизнь в биосфере зависит от потока энергии и круговорота веществ между биотическими и абиотическими компонентами.

Основные процессы, благодаря которым потоки энергии проходят через организмы, это - фотосинтез, хемосинтез (см. раздел 3.2.5),дыхание и брожение . Первые два процесса обеспечивают синтез органических веществ за счет энергии света (фотосинтез) и окисления неорганических веществ (хемосинтез). В ходе дыхания и брожения органические вещества расщепляются, а заключенная в них энергия используется живыми организмами, но в конечном итоге переходит в тепло. Брожение, в отличие от дыхания не требует кислорода.

Учение о биосфере

Основополагающие принципы учения о биосфере, разработанные В. И. Вернадским, были опубликованы в работе «Биосфера» (1926), где рассматриваются компоненты биосферы, ее границы, функции живого вещества, эволюция биосферы Суть учения: биосфера – это качественно своеобразная оболочка Земли, развитие которой в значительной мере определяется деятельностью живых организмов.

В.И. Вернадский выделяет в биосфере глубоко отличные и в то же время генетически связанные части:

- живое вещество – живые организмы;

- биогенное вещество – продукты жизнедеятельности живых организмов (каменный уголь, нефтьи т.п.);

- косное вещество – горные породы (минералы, глины и т.д.);

- биокосное вещество - продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами (почвы, ил, природные воды);

- радиоактивные вещества , получающиеся в результате распада радиоактивных элементов (радий, уран, торий и т. д.);

- рассеянные атомы (химические элементы), находящиеся в земной коре в рассеянном состоянии;

- вещество космического происхождения – метеориты, протоны, нейтроны, электроны.

Живое вещество - это совокупность живых организмов. На нашей планете оно существует в виде огромного множества организмов разнообразных форм и размеров. В настоящее время на Земле существует более 2 млн. видов организмов, из них около 0,5 млн. – растения, 1,5 млн. – животные и микроорганизмы (из них около 0,5 млн. насекомых). В соответствии с законом константности Вернадского «Количество (биомасса) живого вещества биосферы (для данного геологического периода) есть константа. Любое изменение количества живого вещества в одном из регионов биосферы неминуемо влечет за собой такую же по размеру его перемену в каком-либо регионе, но с обратным знаком. Полярные изменения могут быть использованы в процессах управления природой, но следует учитывать, что не всегда происходит адекватная замена. Обычно высокоразвитые виды и экосистемы вытесняются другими, стоящими на относительно эволюционно более низком уровне (крупные организмы – более мелкими), а полезные для человека формы – менее полезными, нейтральным или даже вредными.

Живое вещество распределено в биосфере неравномерно. Наибольшая концентрация жизни наблюдается на границах соприкосновения земных оболочек: атмосферы и литосферы, атмосферы и гидросферы, гидросферы и литосферы, а особенно на границах трех оболочек: атмосферы, литосферы, гидросферы. Эти места наибольшей концентрации жизни В. И. Вернадский назвал «пленками жизни» . Размножением, питанием и дыханием живые организмы создают определенное давление на среду, меняют течение всех химических реакций, участвуют в круговороте всех химических элементов. Они выполняют в биосфере строго определенные функции для поддержания жизни на Земле, заполняют без пропусков всю планету. Живое вещество способно «растекаться» на поверхности планеты, оно с огромной скорость захватывает все незанятые участки, что обуславливает «давление жизни» на неживую природу. Характеризуется большим видовым разнообразием по сравнению с косным веществом.

Однако косное вещество резко преобладает по массе и объему, в то время как количество живого вещества составляет примерно 0,25% биосферы по массе. Итальянский естествоиспытатель Ф.Реди еще в XVI в утверждал, что живое вещество происходит только от живого, и между живым и неживым веществом существует непроходимая граница, хотя и имеется постоянное взаимодействие. В.И.Вернадский (1924) своим учением о биосфере утверждал, что между живым и косным веществом существует непрерывно идущая связь во время дыхания, питания, размножения живого вещества, миграции атомов из косных тел биосферы в живые и обратно. Эта зависимость выражена в «законе биогенной миграции атомов» В.И.Вернадского: миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция) или протекает в среде, геохимические особенности которой (О 2 , СO 2 , Н 2 и т.д.) обусловлены живым веществом – как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое было на Земле в течение всей геологической истории.
Согласно этому Закону, имеющему важное теоретическое и практическое значение, понимание общих химических процессов, протекавших и протекающих на поверхности суши, в атмосфере и в заселенных организмами глубинах литосферы и вод, а также геологических слоях, сложенных прошлой деятельностью организмов, невозможно без учета биотических и биогенных факторов, в том числе эволюционных. Поскольку люди воздействуют прежде всего на биосферу и ее живое население, они тем самым изменяют условия биогенной миграции атомов, создавая предпосылки для еще более глубоких химических перемен в исторической перспективе. Таким образом, процесс может стать саморазвивающимся, не зависящим от желания человека и практически, при глобальном размахе, неуправляемым. Отсюда одна из самых насущных потребностей – сохранение живого покрова Земли в относительно неизменном состоянии. Тот же Закон определяет и необходимость учета воздействий на биоту при любых проектах преобразования природы. В этих случаях происходят региональные и локальные изменения в химических процессах, ведущие при любых крупных ошибках к деградации среды – опустыниванию.

Выделяют следующие основные геохимические функции живого вещества , благодаря которым обеспечивается круговорот веществи превращение энергии, а, в итоге, целостность и устойчивое состояние биосферы:

- Энергетическая функция – связывание и запасание солнечной энергии в органическом веществе и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества. (При передаче энергии по пищевым цепям часть ее постепенно рассеивается, но часть вместе с остатками организмов переходит в ископаемое состояние, образуя запасы нефти, угля и др.) Эта функция связана с питанием, дыханием, размножением и другими процессами жизнедеятельности организмов.

- Газовая функция - способность живых организмов изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и всей атмосферы в целом. Ведущая роль принадлежит зеленым растениям, в тоже время большинство живых организмов в процессе дыхания используют кислород, выделяя в атмосферу углекислый газ.

- Окислительно-восстановительная функция – окисление и восстановление различных веществ с участием живых организмов, которые при этом получают энергию для жизненных процессов. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Mn, Fe, S, P, N и др.), создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода и т.п.

- Концентрационная функция – «захват» из окружающей среды живыми организмами и накопление в них атомов биогенных химических элементов. Эта способность живого вещества повышает содержание атомов химических элементов в организмах по сравнению с окружающей средой на несколько порядков. Например, осока и хвощ содержат много кремния, морская капуста и щавель – йода, а коралловые рифы - кальция.

- Деструктивная функция – разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти, как остатков органического вещества, так и косных веществ. Существенную роль здесь играют редуценты (деструкторы).

- Транспортная функция – перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Такой перенос может осуществляться на огромные расстояния, например, при миграциях животных.

- Средообразующая функция – преобразование физико-химических параметров среды. Эта функция является интегральной, она представляет собой результат совместного действия других функций.

- Рассеивающая функция – противоположная концентрационной – рассеивание веществ в окружающей среде (выделение организмами экскрементов, смена покрова и т.п.)

- Информационная функция – накопление живыми организмами определенной информации, закрепление ее в наследственных структурах и передача последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.

В процессе развития биосферы выделяют три этапа :

- начальный этап формирования и существования биосферы, где воздействие человека на природу незначительно;

- биотехносфера, когда деятельность человеческого общества становится существенным фактором в биосфере, возникает проблема предотвращения необратимых негативных последствий в природе. Пути ее решения лежат в управлении процессами между человеком и природой так, чтобы они были взаимовыгодны;

- ноосфера – сфера разума. Это высшая стадия развития биосферы, когда разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором развития. В ноосфере человек становится крупной геологической силой, он перестраивает своим трудом и мыслью область своей жизни

Условиями, при которых В.И. Вернадский полагал возможным формирование и развитие процесса нооферогенеза , являются:

Заселение человеком всей планеты;

Резкое преобразование средств связи и обмена между странами;

Усиление связей, в том числе политических, между всеми странами Земли;

Начало преобладания геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере;

Расширение границ биосферы и выход в космос;

Открытие новых источников энергии;

Равенство людей всех рас и религий;

Увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики;

Свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских и политических построений и создание в государственном строе условий, благоприятных для свободной научной мысли;

Разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворить все материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения;

Исключение войн из жизни общества.

К сожалению, за время своего существования, человек сильно изменил биосферу, антропогенное изменение биосферы зашло слишком далеко. Биосфера превращается в техносферу, причем направленность техногенного воздействия прямо противоположно направленности эволюции биосферы. Необходимо помнить, что биосферу нельзя заменить искусственной средой («Закон незаменимости биосферы»).

Круговорот веществ

Для того, чтобы биосфера продолжала существовать и жизнь на Земле не прекращалась, должны постоянно осуществляться химические превращения её живого вещества. Иначе говоря, в биосфере должны постоянно происходить круговороты веществ .

В зависимости от движущей силы, с определенной долей условности, внутри круговорота веществ можно выделить геологический, биологический (биотический), биогеохимический и антропогенный круговороты.

Геологический круговорот (большой круговорот в природе) – круговорот веществ, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы. Эндогенные (процессы внутренней динамики) происходят под влиянием внутренней энергии Земли. Экзогенные (процессы внешней динамики) происходят под влиянием внешней энергии Солнца.

Биологический (биотический) круговорот(малый круговорот веществв биосфере) – круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов. Главным источником энергии является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез.

Биогеохимический круговорот (биогеохимические циклы)– часть биологического круговорота, составленная обменными циклами биогенных элементов.

В экосистемах очень важна роль биогеохимических циклов Биогенные элементы - С, О 2 , N 2 , Р, S, СО 2 , Н 2 О и другие - в отличие от энергии удерживаются в экосистемах и совершают непрерывный круговорот из внешней среды в организмы и обратно во внешнюю среду. Эти замкнутые пути называют биогеохимическими циклами. В каждом круговороте различают два фонда: резервный , включающий большую массу движущихся веществ, в основном небиологических компонентов, и подвижный, или обменный, фонд - по характеру более активный, но менее продолжительный, отличительной особенностью которого является быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.

Биогеохимические циклы можно подразделять на два типа:

1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан).

2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

4.2.1. Круговорот азота

Азот составляет около 80% атмосферного воздуха и является крупнейшим резервуаром и предохранительным клапаном атмосферы. Однако большинство организмов не могут усваивать азот из воздуха. Между тем азот участвует в построении всех белков и нуклеиновых кислот. Усваивать азот из воздуха способны только некоторые организмы - бактерии, которые существуют в симбиозе с бобовыми растениями (горох, фасоль, соя). Они поселяются на корнях бобовых растений, образуя клубеньки, в которых и происходит химическая фиксация азота. Азот могут усваивать также сине-зеленые водоросли, называемые цианобактериями. Они образуют симбиоз с плавающим папоротником, который растет на заливаемых водой рисовых полях и до высадки рассады риса удобряет эти поля азотом. Первый этап фиксации атмосферного азота приводит к образованию аммиака и называется аммонификацией Аммиак используется растениями для синтеза аминокислот, из которых состоят белки. Второй этап фиксации азота микроорганизмами - нитрификация, при этом образовавшийся аммиак преобразуется в соли азотной кислоты - нитраты. Нитраты усваиваются корнями растений и транспортируются в листья, где происходит синтез белков . Процесс разложения белков, осуществляемый особой группой бактерий, называется денитрификацией. Распад идет сначала с образованием нитратов, потом аммиака и, наконец, молекулярного азота. Содержание азота в живых тканях составляет около 3% его содержания в обменных фондах экосистем. Общее время круговорота азота - примерно 100 лет.

Вмешательство человека в круговорот азота состоит в следующем:

Сжигание древесины или ископаемого топлива (тепловые электростанции, автомобильный транспорт, промышленность), в результате чего образуется оксид азота (NO). Оксид азота затем соединяется в атмосфере с кислородом и образует диоксид азота (NO 2), который при взаимодействии с водяным паром может образовывать азотную кислоту (HNO 3);

Производство азотных удобрений и их широкое применение;

Увеличение количества нитрат-ионов и ионов аммония в водных экосистемах при попадании в них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей азотных удобрений, а также очищенных и неочищенных коммунально-бытовых канализационных стоков.

Рис. 22. Упрощенная схема круговорота азота

Рис. 23. Графическое изображение круговорота азота

Существенные изменения в круговороте происходят и от разрушения органического вещества почв. Отрицательные последствия нарушения круговорота азота : загрязнение оксидами азота, аммиаком и другими соединениями атмосферного воздуха и воды, накопление нитритов и нитратов в пищевых продуктах. Оксиды азота принимают участие в образовании фотохимического смога. На рис. 22-23 показаны схемы круговорота азота.

4.2.2. Круговорот углерода

В круговороте СО 2 атмосферный фонд невелик по сравнению с запасами углерода в океанах, ископаемом топливе и других резервуарах земной коры.

Атмосфераинтенсивно обменивается СО 2 с Мировым океаном, где его в 60 раз больше, чем в атмосфере, так как СО 2 хорошо растворяется в воде (чем ниже температура, тем лучше растворимость). Океан действует как гигантский насос: поглощает СО 2 в холодных областях и частично выдувает в тропиках. Избыточное количество СО 2 в океане соединяется с водой, образуя угольную кислоту, соединяясь с Са, К, Nа она образует стабильные соединения в виде карбонатов, которые оседают на дно. Фитопланктон в океане в процессе фотосинтеза поглощает СО 2 . Умирая, организмы попадают на дно и становятся частью осадочных пород. Эта часть углерода выключается из биологического круговорота и поступает в геологический круговорот веществ.

На рис. 24 и 25 представлены упрощенные схемы круговорота углерода.

Животные

Растения

горение

фотосинтез

Рис. 24. Упрощенная схема круговорота углерода

Рис. 25. Схема части углеродного цикла, показывающая круговорот вещества и однонаправленный поток энергии в процессах фотосинтеза и аэробного дыхания

На суше в процессе фотосинтеза СО 2 включается в состав органического вещества растений. Затем из растений основная масса углерода поступает в пищевые (трофические) цепи животных и накапливается в их телах в виде различного вида углеводов. Большая часть животных в процессе дыхания потребляет из атмосферы кислород и возвращает в нее углекислый газ. Это наиболее короткий круговорот, продолжительность которого составляет минуты. Отмершее органическое вещество растений и животных разлагается особой группой организмов (в основном микробами и грибами) до исходных минеральных веществ и углекислого газа, которые тоже возвращаются в атмосферу. Это более длительный круговорот, продолжительность которого равна времени жизни и времени разложения отмерших растений и животны х. Это время составляет от нескольких часов до нескольких сотен лет. Некоторая часть углерода включается в большой или геологический круговорот. В зависимости от условий отмершая органика, содержащая углерод, может превратиться в уголь, торф, нефть, газ и другие горючие соединения, которые в настоящее время используются человечеством с целью получения энергии. Это так называемый «уход углерода в геологию». Такой цикл может длиться десятки, сотни тысяч и даже миллионы лет, с последующим освобождением углерода (что знаменует завершение круговорота) при сгорании горючих соединений, вулканической деятельности или деятельности некоторых организмов.

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд. т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода (сжигание угля, нефти, газа, дегумификация) приводит к возрастанию содержания СО 2 в атмосфере и развитию парникового эффекта (см. раздел 5.3.5).

Скорость круговорота СО 2 , то есть время, за которое весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет.

4.2.3. Круговорот воды

Водасоставляет значительную часть живых существ: в теле человека - по весу 60%, а в растительном организме достигает 95%. На круговорот воды на поверхности Земли затрачивается около трети всей поступающей на Землю солнечной энергии. Испарение с водных пространств создает атмосферную влагу. Влага конденсируется в форме облаков, охлаждение облаков вызывает осадки в виде дождя и снега; осадки поглощаются почвой или стекают в моря и океаны. Круговорот воды между сушей и океаном относится к большому геологическому круговороту. Для человечества важны фазы круговорота в пределах экосистем. Здесь происходят четыре процесса (рис.26):

- перехват. Растительность перехватывает часть выпадающей в осадках воды до того, как она достигает почвы. Перехваченная вода испаряется в атмосферу. Величина перехвата в умеренных широтах может достигать 25% общей суммы осадков, это - физическое испарение;

- транспирация- биологическое испарение воды растениями. Это не дождевая вода, а вода, заключенная в растении, т. е. экосистемная. Растения, потребляя около 40% общего количества осадков, играют главную роль в круговороте воды;

- инфильтрация - просачивание воды в почве. При этом часть инфильтрованной воды задерживается в почве тем сильнее, чем значительнее в ней коллоидный комплекс, соответствующий накоплению в почве перегноя;

- сток . В этой фазе круговорота избыток выпавшей с осадками воды стекает в моря и океаны.

Отличие циклов углерода и азота от круговорота воды состоит в том, что в экосистемах два названных элемента накапливаются и связываются, а вода проходит через экосистемы почти без потерь. Биосфера ежегодно использует на формирование биомассы 1% воды , выпавшей в виде осадков.

Рис. 26. Круговорот воды в природе: океанская вода, составляющая 93% гидросферы, совершает полный оборот за 2600 лет; вода рек и озер (5,4% гидросферы) - за 3,3 года; почвенная влага - за 10-12 месяцев

4.2.4. Круговорот фосфора

Фосфор- один из наиболее важных биогенных компонентов. Он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем аккумуляции и переноса энергии, костной ткани и дентина. Круговорот фосфора всецело связан с деятельностью живых организмов.

В отличие от азота и углерода резервуаром фосфора служат не атмосфера, а горные породы и отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи. Круговорот фосфора - типичный пример осадочного цикла.

В наземных экосистемах растения извлекают фосфор из почвы (в основном в форме РО 3 и включают его в состав органических соединений (белков, нуклеиновых кислот, фосфолипидов и др.) или оставляют в неорганической форме. Далее фосфор передается по цепям питания. После отмирания живых организмов и с их выделениями фосфор возвращается в почву.

В водных экосистемах фосфор усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до морских птиц. Их экскременты (гуано) либо сразу попадают назад в море, либо сначала накапливаются на берегу, а затем все равно смываются в море. Из отмирающих морских животных, особенно рыб, фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глубин, и заключенный в них фосфор снова попадает в осадочные породы, то есть выключается из биогеохимического круговорота.

При неправильном применении фосфорных удобрений, водной и ветровой эрозии почв большие количества фосфора удаляются из почвы. С одной стороны, это приводит к перерасходу фосфорных удобрений и истощению запасов фосфор­содержащих руд (фосфоритов, апатитов и др.). При избыточном внесении фосфорных удобрений почва перенасыщается стронцием, фтором, редкоземельными элементами. С другой стороны, поступление из почвы в водоемы больших количеств таких биогенных элементов, как фосфор, азот, сера и др., вызывает бурное развитие сине-зеленых водорослей и других водных растений («цветение» воды) и эвтрофикацию водоемов (см. раздел 5.4.1). Но большая часть фосфора уносится в море.

На рис. 27 схематически представлен круговорота фосфора в биосфере.

Рис. 27. Круговорот фосфора в биосфере

4.2.5. Круговорот серы

Сера – необходимый компонент всех белков. В земной коре очень много серы, однако в отличие от фосфораимеетсярезервный фонд и в атмосфере. Главная роль в вовлечении серы в биогеохимический круговорот принадлежитмикроорганизмам. Одни из них восстановители, другие - окислители. На рис. 28-а и 28-б показан круговорот серы в биосфере.

Рис. 28-а. Круговорот серы

Рис. 28-б. Круговорот серы

В горных породах сера встречается в виде сульфидов, в растворах - в форме иона, в газообразной фазе в виде сероводорода или сернистого газа. В некоторых организмах сера накапливается в чистом вид и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы.

В наземных экосистемах сера поступает в растения из почвы в основном в виде сульфатов. Потребности животных в соединениях серы могут удовлетворяться только за счет растений. После гибели живых организмов часть серы восстанавливается в почве микроорганизмами до сероводорода, другая часть окисляется до сульфатов и вновь включается в круговорот. Образовавшийся сероводород улетучивается в атмосферу, там окисляется и возвращается в почву с осадками.

Естественными путями или источниками поступления серы в окружающую среду являются: вулканы, природные пожары, распад серосодержащих минералов и разложение органических веществ

Сжигание человеком ископаемого топлива (особенно угля), а также выбросы химической промышленности, приводят к накоплению в атмосфере сернистого газа, которыйотносится к числу наиболее агрессивных загрязнителей (см. раздел 5.3.4).Он действует на природные объекты как в результате сухого осаждения, так и через кислотные осадки (реагируя с парами воды).

4.2.6. Круговорот кислорода

Основная масса кислорода находится в связанном состоянии: количество молекулярного кислорода составляет всего лишь около 0,01% от общего содержания кислорода в земной коре.

Рис. 29. Схема круговорота кислорода в биосфере

Главным образом круговорот кислорода происходит между атмосферой и живыми организмами. В основном свободный кислород поступает в атмосферу в результате фотосинтеза зеленых растений, а потребляется в процессе дыхания животными , растениями и микроорганизмами и при минерализации органических остатков . Основная доля кислорода продуцируется растениями суши - почти 3/4, остальная часть - фотосинтезирующими организмами Мировой океана.

Незначительное количество кислорода образуется из воды и озона под воздействием ультрафиолетовой радиации. Большое количество кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре при извержении вулканов и др. Кислород совершает еще и важнейший круговорот, входя в состав воды. Скорость круговорота - около 2 тыс. лет.

На рис. 29 представлена схема круговорота кислорода в биосфере.

Вспомните:

Роль растений, животных, грибов, бактерий в круговороте веществ.

Ответ. Растения, животные, грибы, бактерии тесно связаны между собой благодаря, прежде всего, пищевым связям. Растения, являясь автотрофами, производят органическое вещество, животные и грибы его потребляют, бактерии и отдельные виды грибов разрушают и минерализуют органические остатки, выделяя при этом в атмосферу углекислый газ, который в свою очередь будут потреблять растения, ровно также как и неорганические вещества. Так происходит перенос вещества и энергии в биогеоценозе, осуществляется круговорот веществ.

Вопросы после §41

Что называют экосистемой?

Ответ. Для удобства рассмотрения жизненных процессов в биосфере введено понятие "экологическая система" (экосистема). Экосистема представляет собой функциональное единство организмов и окружающей среды. Это совокупность различных видов растений, животных и микробов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой – биотопом, содержащего вещество и энергию необходимые для жизнедеятельности.

Вся эта совокупность может сохраняться неопределенно долгое время. Экосистемой может быть любое сообщество живых существ и среда его обитания, объединенные в единое целое. Экологические компоненты системы взаимосвязаны и взаимозависимы. Нарушение функций одного из компонентов вызовет нарушение устойчивости всей экосистемы.

Экосистема представляет собой необходимую форму существования жизни. Любой организм способен развиваться только в экосистеме, а не изолированно.

Таким образом, экосистема - это любая совокупность взаимодействующих живых организмов и условий среды. Впервые термин "экосистема", как уже отмечалось, ввел английский эколог А. Тенсли в 1935 г. Экосистемами являются, например: участок леса, территория завода, фермы, кабина космического корабля или даже весь земной шар.

Какие группы организмов входят в состав любой экосистемы?

Ответ. В состав экосистемы входят живые организмы (их совокупность можно назвать биоценозом), неживые (абиотичекие) факторы – атмосфера, вода, питательные элементы, свет.

Все живые организмы по способу питания разделяются на две группы - автотрофов (от греческих слов аутос – сам и трофо – питание) и гетеротрофов (от греческого слова гетерос –другой).

Автотрофы используют неорганический углерод и синтезируют огранические вещества из неорганических, это – продуценты экосистемы

Гетеротрофы используют углерод органических веществ, которые синтезированы продуцентами, и вместе с этими веществами получают энергию. Гетеротрофы являются консументами (от латинского слова консумо – потребляю), потребляющими органическое вещество, и редуцентами, разлагающими его до простых соединений.

Редуценты – организмы, которые по своему положению в экосистеме близки к детритофагам, так как они тоже питаются мертвым органическим веществом. Однако редуценты – бактерии и грибы – разрушают органические вещества до минеральных соединений, которые возвращаются в почвенный раствор и снова используются растениями.

Органические вещества, созданные автотрофами служат пищей и источником энергии для гетеротрофов: консументы – фитофаги поедают растения, хищники первого порядка – фитофагов, хищники второго порядка – хищников второго порядка и т. д.Такая последовательность организмов называется пищевой цепью, ее звенья расположены на разных трофических уровнях (представляют разные трофические группы).

Чем экосистема отличается от биогеоценоза?

Ответ. В состав экосистемы входят живые организмы (их совокупность называют биогеоценозом или биотой экосистемы) , и неживые (абиотические) факторы - атмосфера, вода, питательные элементы, свет и мертвое органическое вещество - детрит.

Термин "биогеоценоз" предложил русский ученый В. Н. Сукачев. Этим термином обозначается совокупность растений, животных, микроорганизмов, почвы и атмосферы на однородном участке суши. Следует отметить, что их видовой состав и количество связаны, во-первых, с действием лимитирующих факторов, прежде всего климатических, определяющих, какие именно виды лучше всего приспособлены к существованию в тех или иных условиях, а во-вторых, с действием принципа эколого-географического максимума видов. Согласно этому принципу для нормального функционирования любой экосистемы в ней должно существовать столько и таких видов, сколько и каких необходимо для максимального использования приходящей энергии и обеспечения круговорота веществ.

Прежде всего, любой биогеоценоз выделяется только на суше. На море, в океане и вообще в водной среде биогеоценозы не выделяются. Биогеоценоз имеет конкретные границы. Они определяются границами растительного сообщества - фитоценоза. Образно говоря, биогеоценоз существует только в рамках фитоценоза. Там, где нет фитоценоза, нет и биогеоценоза. Понятия «экосистема» и «биогеоценоз» тождественны только для таких природных образований, как лес, луг, болото, поле. Лесной биогеоценоз = лесная экосистема; луговой биогеоценоз = луговая экосистема и т. п. Для природных образований, меньших или больших по объему, нежели фитоценоз, либо там, где фитоценоз выделить нельзя, применяется только понятие «экосистема». Например, кочка на болоте - экосистема, но не биогеоценоз. Текущий ручей - экосистема, но не биогеоценоз. Точно так же только экосистемами являются море, тундра, влажный тропический лес и т. п. В тундре, тропическом лесу можно выделить не один фитоценоз, а множество. Это совокупность фитоценозов, представляющих более крупное образование, нежели биогеоценоз.

Экосистема может быть пространственно и мельче, и крупнее биогеоценоза. Таким образом, экосистема - образование более общее, безранговое.

Биогеоценоз же ограничен границами растительного сообщества - фитоценоза и обозначает конкретный природный объект, занимающий определенное пространство на суше и отделенный пространственными границами от таких же объектов.

Приведите примеры экосистем естественных и искусственных, водных и наземных, мелких и крупных.

Ответ. Экосистемы очень разнообразны. Естественные экосистемы: капля воды с микроорганизмами, лужица, болото, моховая кочка, старый пень, природные зоны (тундра, тайга, степь) , биогеоценозы, биоценозы, биосфера.

Искусственные экосистемы: космическая станция, сооружение для биологической очистки вод, водохранилище, аквариум, пшеничное поле, яблоневый сад.

Необходимы условием существования экосистемы является постояный приток энергии извне (открытая биосистема) . В ней совершается поток энергии и круговорот веществ.

Наземные биомы: тундра; хвойные леса; листопадный лес умеренной зоны; саванна. Пресноводные экосистемы: озера, пруды, ручьи. Морские экосистемы: океан; прибрежные воды.

Крупные экосистемы: биосфера, биогеоценоз, биомы. Мелкие экосистемы: пруд, огород, колки в степи.

Экосистемы — это одно из ключевых понятий экологии, которое представляет собой систему, включающую в себя несколько компонентов: сообщество животных, растений и микроорганизмов, характерную среду обитания, целую систему взаимосвязей, благодаря которым осуществляется взаимообмен веществами и энергиями.

В науке существует несколько классификаций экосистем. Одна из них разделяет все известные экосистемы на два больших класса: естественные, созданные природой, и искусственные — те, что создал человек. Рассмотрим каждый из этих классов подробнее.

Естественные экосистемы

Как уже отмечалось выше, естественные, природные экосистемы образовались в результате действия сил природы. Для них характерны:

• Тесная взаимосвязь органических и неорганических веществ
• Полный, замкнутый круг круговорота веществ: начиная от появления органического вещества и заканчивая его распадом и разложением на неорганические компоненты.
• Устойчивость и способность к самовосстановлению.

Все природные экосистемы определяются следующими признаками:

• 1. Видовая структура : численность каждого вида животного или растения регулируется природными условиями.
  2. Пространственная структура : все организмы располагаются в строгой горизонтальной или вертикальной иерархии. Например, в лесной экосистеме четко выделяются ярусы, в водной — размещение организмов зависит от глубины воды.
  3. Биотические и абиотические вещества . Организмы, составляющие экосистему, делятся на неорганические (абиотические: свет, воздух, почва, ветер, влажность, давление) и органические (биотические — животные, растения).
  4. В свою очередь биотический компонент делится на производителей, потребителей и разрушителей. К производителям относят растения и бактерии, которые с помощью солнечного света и энергии создают из неорганических веществ органику. Потребители — это животные и плотоядные растения, которые питаются этой органикой. Разрушители (грибы, бактерии, некоторые микроорганизмы) являются венцом пищевой цепочки, так как производят обратный процесс: органику превращают в неорганические вещества.

Пространственные границы каждой природной экосистемы весьма условны. В науке принято определять эти границы естественными очертаниями рельефа: например, болото, озеро, горы, реки. Но в совокупности, все экосистемы, слагающие биооболочку нашей планеты, считаются открытыми, так как они взаимодействуют с окружающей средой и с космосом. В самом общем представлении картина выглядит так: живые организмы получают из окружающей среды энергию, космические и земные вещества, а на выходе — осадочные породы и газы, уходящие в итоге в космос.

Все компоненты природной экосистемы находятся в тесной взаимосвязи. Принципы этой связи складываются годами, иногда столетиями. Но именно поэтому они и становятся настолько устойчивы, так как эти связи и климатические условия и определяют виды животных и растений, которые обитают в данном ареале. Любое нарушение равновесия в природной экосистеме может привести к ее исчезновению или затуханию. Таким нарушением может стать, например, вырубка леса, истребление популяции того или иного вида животных. В этом случае сразу нарушается пищевая цепочка, и экосистема начинает "сбоить".

К слову, привнесение дополнительных элементов в экосистемы также способно нарушить ее. Например, если человек начнет разводить в выбранной экосистеме животных, которых там изначально не было. Яркое подтверждение тому — разведение кроликов в Австралии. Сначала это было выгодно, так как в такой благодатной среде и прекрасных для разведения климатических условиях, кролики стали размножаться с невероятной быстротой. Но в итоге все свелось к краху. Несметные полчища кроликов опустошали пастбища, где раньше паслись овцы. Численность овец стала снижаться. А продуктов от одной овцы человек получает гораздо больше, чем от 10 кроликов. Этот случай вошел даже в поговорку: "Кролики съели Австралию". Понадобилось неимоверное усилие ученых и большие затраты, прежде чем удалось избавиться от поголовья кроликов. Полностью их популяцию в Австралии истребить не удалось, но их численность сократилась и уже не угрожала экосистеме.

Искусственные экосистемы

Искусственными экосистемами называют сообщества животных и растений, обитающих в условиях, которые создал для них человек. Их еще называют нообиогеоценозами или социоэкосистемами. Примеры: поле, пастбище, город, общество, космический корабль, зоосад, сад, искусственный пруд, водохранилище.

Самым простым примером искусственной экосистемы является аквариум. Здесь ареал обитания ограничен стенками аквариума, приток энергии, света и питательных веществ осуществляется человеком, он же регулирует температуру и состав воды. Численность обитателей также изначальна определена.

Первая особенность: все искусственные экосистемы являются гетеротрофными , т.е потребляющими готовую пищу. Возьмем для примера город — одну из самых больших искусственных экосистем. Здесь огромную роль играет приток искусственно созданной энергии (газопровод, электричество, продукты питания). В то же время, такие экосистемы характеризуются большим выходом ядовитых веществ. То есть, те вещества, которые в природной экосистеме в дальнейшем служат для производства органики, в искусственных зачастую становятся непригодными.

Еще одна отличительная особенность искусственных экосистем — незамкнутый цикл обмена веществ. Возьмем для примера агроэкосистемы — наиболее важные для человека. К ним относятся поля, сады, огороды, пастбища, фермы и прочие сельскохозяйственные угодья, на которых человек создает условия для выведения продуктов потребления. Часть пищевой цепочки в таких экосистемах человек вынимает (в виде урожая), а потому пищевая цепочка становится разрушенной.

Третьим отличием искусственных экосистем от природных является их видовая малочисленность . Действительно, человек создает экосистему ради выведения одного (реже нескольких) видов растений или животных. Например, на пшеничном поле уничтожаются все вредители и сорняки, культивируется лишь пшеница. Это дает возможность получить лучший урожай. Но в то же время, уничтожение "невыгодных" для человека организмов делает экосистему неустойчивой.

Сравнительная характеристика природных и искусственных экосистем

Сравнение природных экосистем и социоэкосистем удобнее представить в виде таблицы:

Природные экосистемы	Искусственные экосистемы
Главный компонент — солнечная энергия.	В основном, получает энергию из топлива, и готовой пищи (гетеротрофны)
Формирует плодородную почву	Истощает почву
Все природные экосистемы поглощают углекислый газ и производят кислород	Большинство искусственных экосистем потребляет кислород и продуцирует углекислый газ
Большое видовое разнообразие	Ограниченное количество видов организмов
Высокая устойчивость, способность к саморегуляции и самовосстановлению	Слабая устойчивость, так как такая экосистема зависит от деятельности человека
Замкнутый обмен веществ	Незамкнутая цепь обмена веществ
Создает места обитания диких животных и растений	Разрушает ареалы дикой природы
Накапливает воду, разумно расходуя ее и очищая	Большой расход воды, ее загрязнение

Природа - это неустанное спряжение
глаголов «есть» и «быть поедаемым».
Уильям Индж

Из каких основных компонентов состоят экосистемы? Что такое трофические цепи и трофические сети? Какова трофическая структура экосистемы?

Урок-лекция

ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЭКОСИСТЕМЫ . Экосистемы представляют собой элементарную функциональную единицу живой природы, в которой осуществляются взаимодействия между всеми ее компонентами, происходит круговорот веществ и энергии. В состав экосистемы входят неорганические вещества (вода, углекислый газ, соединения азота и др.), которые включаются в круговорот, и органические соединения (белки, углеводы, жиры и др.), связывающие биотическую (живую) и абиотическую (неживую или косную) ее части. Для каждой экосистемы характерна определенная среда (воздушная, водная, наземная), включающая климатический режим и определенный набор параметров физической среды (температура, влажность и т. п.). По роли, которую выполняют организмы в экосистеме, их подразделяют на три группы:

• продуценты - автотрофные организмы, главным образом зеленые растения, которые способны создавать органические вещества из неорганических;
• консументы - гетеротрофные организмы, преимущественно животные, которые питаются другими организмами или частичками органического вещества;
• редуценты - гетеротрофные организмы, преимущественно бактерии и грибы, обеспечивающие разложение органических соединений.

Окружающая среда и живые организмы взаимосвязаны процессами циркуляции вещества и энергии.

Продуценты улавливают солнечный свет и переводят его энергию в энергию химических связей синтезируемых ими органических соединений. Консументы, поедая продуцентов, используют высвобождающуюся при расщеплении этих химических связей энергию для построения своего собственного тела. Редуценты ведут себя аналогичным образом, но в качестве источника пищи используют либо мертвые тела, либо продукты, выделяющиеся в процессе жизнедеятельности организмов. При этом редуценты разлагают сложные органические молекулы до простых неорганических соединений - углекислого газа, оксидов азота, воды, солей аммония и т. д. В результате они возвращают в окружающую среду вещества, изъятые из нее растениями, и эти вещества могут вновь утилизироваться продуцентами. Цикл замыкается. Надо заметить, что все живые существа в определенной степени являются редуцентами. В процессе метаболизма они извлекают необходимую им энергию при расщеплении органических соединений, выделяя в качестве конечных продуктов углекислый газ и воду.

В экосистемах живые компоненты выстраиваются в цепочки - пищевые или трофические цепи , в которых каждое предыдущее звено служит пищей для последующего. В основании трофической цепи находятся продуценты, которые из неорганического вещества и энергии света создают живое вещество - первичную биомассу. Второе звено составляют потребляющие эту первичную биомассу животные фитофаги - это консументы первого порядка. Они, в свою очередь, служат пищей для организмов, составляющих следующий трофический уровень, - консументов второго порядка. Далее идут консументы третьего порядка и т. д. Приведем пример простой цепи:

А вот пример более сложной цепи:

В естественных экосистемах пищевые цепи не изолированы одна от другой, а тесно переплетены. Они формируют пищевые сети , принцип образования которых заключается в том, что каждый продуцент может служить пищей не одному, а многим животным-фитофагам, которые, в свою очередь, могут быть съедены разными видами консументов второго порядка и т. д. (рис. 49).

Рис. 49. Пищевая сеть сельди

Пищевые сети составляют каркас экосистем, и нарушения в них могут приводить к непредсказуемым последствиям. Особенно ранимыми оказываются экосистемы с относительно простыми пищевыми цепями, т. е. те, в которых круг объектов питания конкретного вида узок (например, многие экосистемы Арктики). Выпадение одного из звеньев может повлечь за собой распад всей трофической сети и деградацию экосистемы в целом.

ТРОФИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ЭКОСИСТЕМЫ И ЭНЕРГЕТИКА . Зеленые растения улавливают 1-2% попадающей на них энергии Солнца, преобразуя ее в энергию химических связей. Консументы I порядка усваивают около 10% всей энергии, заключенной в съеденных ими растениях. На каждом последующем уровне теряется 10-20% энергии предыдущего. Подобная закономерность находится в полном соответствии со вторым законом термодинамики. Согласно этому закону при любых трансформациях энергии значительная ее часть рассеивается в виде недоступной для использования тепловой энергии. Таким образом, энергия быстро убывает в пищевых цепях, что ограничивает их длину. С этим связано и уменьшение на каждом последующем уровне численности и биомассы (количество живого вещества, выраженное в единицах массы или калориях) живых организмов. Однако это правило, как мы увидим ниже, имеет ряд исключений.

В основе устойчивости каждой экосистемы лежит определенная трофическая структура, которая может быть выражена в виде пирамид численности, биомассы и энергии. При их построении значения соответствующего параметра для каждого трофического уровня изображают в виде прямоугольников, поставленных друг на друга.

Форма пирамид численности (рис. 50) в значительной степени зависит от размера организмов на каждом трофическом уровне, особенно продуцентов. Например, численность деревьев в лесу значительно ниже, чем травы на лугу.

Начиная с консументов I порядка более или менее соблюдается правило, согласно которому размеры живых существ увеличиваются на каждом последующем трофическом уровне. Хотя и здесь есть исключения: стая волков может загнать оленя или лося - добычу, значительно более крупную, чем каждый волк в отдельности.

Пирамиды биомассы лучше отражают реальную структуру экосистемы. Если размеры живых существ на разных трофических уровнях не слишком различаются, то можно получить ступенчатую пирамиду (см. рис. 50). Однако в экосистемах с очень мелкими продуцентами (фитопланктон) и крупными консументами общая масса последних будет выше, и мы получим обращенную пирамиду. Такая картина типична для большинства морских и пресноводных экосистем.

Рис. 50. Экологические пирамиды

Пирамиды энергии дают наиболее полное представление о функциональной организации экосистемы. Число и масса организмов на каждом трофическом уровне зависят от обилия пищи на предыдущем уровне в данный момент времени. Поэтому пирамиды численности и биомассы отражают статику экосистемы, т. е. характеризуют число организмов на момент исследования. Пирамида же энергии отражает скорость прохождения пищи через трофическую цепь. Каждая ее ступенька символизирует количество энергии (в пересчете на единицу площади или объема), прошедшей через определенный трофический уровень за определенный период. Поэтому на форму пирамиды энергии не влияют изменения размеров, численности и биомассы. Она всегда имеет форму треугольника с вершиной, обращенной вверх, что связано с потерей энергии при переходе с одного трофического уровня на другой (см. рис. 50).

Изучение трофической структуры экосистем, особенно законов превращения энергии, имеет первостепенное значение для познания механизмов, которые лежат в основе обеспечения их стабильности. Без этого невозможно правильно рассчитать допустимые пределы воздействия на окружающую среду, выход за рамки которых принесет ей непоправимый ущерб.

Трофические связи между организмами формируют основу экосистемы. В любой экосистеме непременно присутствуют первичные производители органического вещества - продуценты, и организмы, это вещество потребляющие и перерабатывающие, - консументы и редуценты. Эти основные компоненты экосистемы формируют трофические цепи и сети, через которые проходит поток вещества и энергии. В соответствии со вторым законом термодинамики на каждом трофическом уровне происходит существенная потеря энергии в виде тепла, что ограничивает длину трофических цепей. Экосистема функционирует как единая, развивающаяся система, обладающая саморегуляцией.

• Объясните, почему возможно выделить общие компоненты в любой экосистеме.
• Что составляет основу взаимодействия компонентов экосистемы?
• Какое значение для устойчивости экосистемы имеет многообразие ее компонентов?

Экология Зубанова Светлана Геннадиевна

5. Организация (структура) экосистем

Чтобы экосистемы функционировали долго и как единое целое, они должны обладать свойствами связывания и высвобождения энергии, круговоротом веществ. Экосистема также должна иметь механизмы, позволяющие противостоять внешним воздействиям.

Существуют различные модели экосистем.

1. Блоковая модель экосистемы. Каждая экосистема состоит из 2 блоков: биоценоз и биотоп.

Биогеоценоз, по В. Н. Сукачеву , включает блоки и звенья. Это понятие, как правило, применяют к сухопутным системам. В биогеоценозах обязательно наличие как основного звена – растительного сообщества (луг, степь, болото). Существуют экосистемы без растительного звена. Например, те, которые формируются на базе разлагающихся органических остатков, трупов животных. В них достаточно лишь присутствие зооценоза и микробоценоза.

Каждый биогеоценоз – экосистема, но не каждая экосистема – биогеоценозна.

Биогеоценозы и экосистемы различаются по временному фактору. Любой биогеоценоз потенциально бессмертен, так как все время получает энергию от деятельности растительных фото– или хемосинтезирующих организмов. А также экосистемы без растительного звена, заканчивая свое существование высвобождают в процессе разложения субстрата всю содержащуюся в нем энергию.

2. Видовая структура экосистем. Под ней понимают количество видов, которые образуют экосистему, и соотношение их численностей. Видовое разнообразие исчисляется сотнями и десятками сотен. Оно тем значительнее, чем богаче биотоп экосистемы. Самыми богатыми по видовому разнообразию являются экосистемы тропических лесов. Богатство видов зависит и от возраста экосистем. В сформировавшихся экосистемах обычно выделяется один или 2 – 3 вида явно преобладающих по численности особей. Виды, которые явно преобладают по численности особей, – доминантные (от лат. dom-inans – «господствующий»). Также в экосистемах выделяются виды – эдификаторы (от лат. aedifica-tor – «строитель»). Это те виды, которые являются образователями среды (ель в еловом лесу наряду с доминантностью имеет высокие эдификаторные свойства). Видовое разнообразие – важное свойство экосистем. Разнообразие обеспечивает дублирование ее устойчивости. Видовую структуру используют для оценки условий местопроизрастания по растениям-индикаторам (лесная зона – кислица, она указывает на условия увлажнения). По растениям-эдификаторам или доминантам и растениям-индикаторам называют экосистемы.

3. Трофическая структура экосистем. Цепи питания. Каждая экосистема включает в себя несколько трофических (пищевых) уровней. Первый – растения. Второй – животные. Последний – микроорганизмы и грибы.

Из книги Как зовут вашего бога? Великие аферы XX века [журнальный вариант] автора Голубицкий Сергей Михайлович

Структура Иерархия «Амвея» непоколебима, как железный эскадрон, и продумана до мельчайших нюансов в результате почти полувекового нечеловеческого напряжения маркетинговой хитрости. У основания пирамиды толпятся бесчисленные муравьи - рядовые дистрибьюторы. В 1999-м их

Из книги Женщина. Учебник для мужчин [Вторая редакция] автора Новоселов Олег Олегович

Из книги Регионоведение автора Сибикеев Константин

Из книги Биология [Полный справочник для подготовки к ЕГЭ] автора Лернер Георгий Исаакович

Из книги Своя контрразведка [Практическое пособие] автора Землянов Валерий Михайлович

7.2. Экосистема (биогеоценоз), ее компоненты: продуценты, консументы, редуценты, их роль. Видовая и пространственная структура экосистемы. Цепи и сети питания, их звенья. Типы пищевых цепей. Составление схем передачи веществ и энергии (цепей питания). Правило экологической

Из книги Экология автора Зубанова Светлана Геннадиевна

7.3. Разнообразие экосистем (биогеоценозов). Саморазвитие и смена экосистем. Выявление причин устойчивости и смены экосистем. Стадии развития экосистемы. Сукцессия. Изменения в экосистемах под влиянием деятельности человека. Агроэкосистемы, основные отличия от природных

Из книги Регионоведение автора Сибикеев Константин

7.4. Круговорот веществ и превращения энергии в экосистемах, роль в нем организмов разных царств. Биологическое разнообразие, саморегуляция и круговорот веществ – основа устойчивого развития экосистем Круговорот веществ и энергии в экосистемах обусловлен

Из книги Женщина. Руководство для мужчин автора Новоселов Олег Олегович

Из книги Женщина. Учебник для мужчин. автора Новоселов Олег Олегович

6. Стабильность и устойчивость экосистем Понятия «стабильность» и «устойчивость» в экологии часто рассматриваются как синонимы, и под ними понимают способность экосистем сохранять собственную структуру и функциональные свойства при действии внешних факторов.Более

Из книги Учебник выживания войсковых разведчиков [Боевой опыт] автора Ардашев Алексей Николаевич

8. Динамика и развитие экосистем. Сукцессии Экосистемы, приспосабливаясь к изменениям внешней среды, находятся в состоянии динамики. Эта динамика может относиться как к отдельным звеньям экосистем, так и к системе в целом. Динамика связана с адаптациями к внешним

Из книги автора

51. Разрушение экосистем. Опустынивание К числу экологических уронов, которые имеют самую длинную историю и принесли биосфере максимально ущерб, относят разрушение экосистем, их опустынивание, т. е. потеря способности к саморегулированию и самовосстановлению.

Из книги автора

54. Территориальная организация и структура производственных сил Дальневосточного района Ведущие отрасли рыночной специализации Дальневосточного района основываются на широком использовании его природных богатств. Главными отраслями индустрии являются рыбная,

Из книги автора

Из книги автора

Из книги автора

1.5 Первобытное племя. Функциональная структура. Структура иерархии. Структура межполовых отношений Даже самые примитивные народы живут в условиях культуры, отличной от первичной, во временном отношении такой же старой, как и наша, и также соответствующей более поздней,