Вопрос 13

Экологическое равновесие и механизмы его поддержания. Гомеостаз, сукцессия.

Источник: методичка «Остров», лекция 5.

Ответ:

Природная экосистема устойчиво функционирует при постоянном взаимодействии ее элементов, круговороте веществ, передаче химической, энергетической, генетической и других видов энергии и информации по цепям-каналам. Согласно принципу равновесия любая природная система, с проходящими через нее потоками энергии и информации, имеет тенденцию к развитию устойчивого состояния. Устойчивость экосистем обеспечивается автоматически за счет механизма обратной связи. Обратная связь заключается в использовании получаемых данных от управляемых компонентов экосистем для внесения корректив управляющими компонентами в процесс. Во взаимоотношении «хищник» - «жертва» (например, щука и карась; волки и зайцы) увеличение численности «жертв» увеличивает численность «хищников» (прямая связь). Однако расплодившиеся хищники, питаясь, быстро уничтожают и снижают численность «жертв» (обратная связь) и, испытывая недостаток пищи, также снижают рост своей популяции. В конце концов, в экосистеме устанавливается динамическое равновесие в численности «хищники», «жертвы».

Таким образом, экологическое равновесие – это такое состояние экосистемы, при котором состав и продуктивность биоты (растений, животных, грибов, бактерий) сохраняется постоянным во времени и наиболее полно соответствует абиотическим условиям (почве и климату). Особенностью экологического равновесия является его подвижность. Различают два типа подвижности равновесия: гомеостаз (гомео – то же, стазис – состояние) и сукцессия (от лат. sucsesio - преемственность).

Гомеостаз – механизм, при помощи которого живой организм (экосистема), противодействуя внешним воздействиям, поддерживает параметры своей внутренней среды на постоянном уровне, обеспечивающем его нормальную жизнедеятельность. Гомеостаз характеризуется обратимыми изменениями. Изменения напоминают движение маятника, но амплитуда изменений такова, что экологическое равновесие не нарушается. Новые системы обычно подвержены резким колебаниям и менее способны противостоять внешним возмущениям по сравнению со «зрелыми», компоненты которых успели приспособиться друг к другу (эволюционное приспособление).

Сукцессия – постепенное изменение экосистемы под влиянием внутренних и внешних условий, постепенная смена (вытеснение) одного вида другим (например, зарастание озера, восстановление леса после пожара). В результате сукцессий происходит постепенное превращение одних экосистем в другие. Внутренняя сукцессия обусловлена действием внутренних факторов (зарастание озера), внешняя – действием антропогенных факторов. Если действие внешних факторов, вызвавших сукцессию, прекращается, то начинается восстановление экосистемы. При сильном экологическом воздействии, ЭС гибнет, т.е. существует экологическое нормирование нагрузок.

Вопрос 14

Бюджет солнечной энергии.

Источник: методичка «Остров».

Ответ:

Использование энергии в биосфере определяется ее количественным распределением и качеством. Солнечный свет падает на планету постоянно в количестве 2 кал/см² в минуту, атмосферный слой ослабляет его на 33% (за счет отражения облаками, пылью в верхних слоях атмосферы), до поверхности Земли доходит 67%, то есть 1,34 кал/см² мин, при этом 30% солнечной энергии в биосфере отражается, 46% превращается в теплоту, 23% расходуется на испарение воды, на осадки, 0,2% преобразуется в энергию ветра, волн, течений, 0,8% расходуется на фотосинтез. Огромная работа, выполняемая биосферой (сохранение и развитие жизни, накопление горючих ископаемых и др.), осуществляется за счет небольшого количества солнечной энергии сконцентрированной растениями.

Процесс жизнедеятельности в экологических системах строится на взаимоотношении организмов в цепях питания (трофических цепях). Любая пищевая цепь должна иметь источник энергии, которым является Солнце и иногда энергия химических реакций. Особенностью поведения энергии в экосистеме является однократность ее использования.

Энергетические процессы в экосистемах подчиняются первому и второму законам термодинамики. То есть энергия не исчезает, она переходит из одной формы в другую (первый закон термодинамики). Часть энергии рассеивается в виде тепла, мерой необратимого рассеивания служит энтропия (второй закон термодинамики).

(Трофические уровни – см. вопрос 9.)

Представители разных трофических уровней связаны между собой односторонне направленной передачей биомассы в пищевые цепи. В соответствии со вторым законом термодинамики (при любом превращении энергии некоторое ее количество всегда переходит в менее качественную менее полезную энергию) растения используют лишь часть поступающей в экосистему солнечной энергии (1–10%). Из поглощенной энергии растения расходуют менее 10% на продукционный процесс (увеличение собственной биомассы). Остальная энергия расходуется при дыхании, осуществлении других функций организма и передается гетеротрофным организмам.

При переходе на следующий трофический уровень часть доступной энергии не воспринимается, часть отдается в виде тепла, часть расходуется на обмен веществ, дыхание, рост, размножение, выделение. При этом наблюдается уменьшение общей энергии в несколько раз. Только 10% потребляемой энергии животные всех уровней тратят на построение своего тела (правило 10%), остальные 90% тратятся на процессы жизнедеятельности. То есть общая энергия каждый раз уменьшается в несколько раз. Поэтому длина пищевых цепей ограничена. Чем ближе организм к началу пищевой цепи, тем больше количество доступной энергии.

Баланс пищи и энергии для отдельного живого организма имеет вид

Э=Э_ж+Э_п+Э_в,

где Э – энергия потребленной пищи;

Э_ж - энергия дыхания или обеспечения жизнедеятельности организма, включая движение, поддержание температуры тела, сердцебиение, работу органов и др.;

Э_п – энергия прироста (запасенная в теле организма-потребителя);

Э_в – энергия продуктов выделения, в основном экскрементов.

При переходе энергии с первого трофического уровня (продуцентов) на второй (фитофагов, детритофагов), третий (хищников первого порядка) и так далее значительное ее количество рассеивается и снижается ее качество. Поэтому КПД перехода энергии с одного трофического уровня на другой составляет 7-10%. После смерти животного, в теле которого энергия зафиксирована в энергии химических связей органических соединений, она будет использована редуцентами, и происходит полное ее рассеивание.

(См. схему трофической цепи в вопросе 9.)

Закономерности потока и рассеивания энергии имеют практические следствия. Во-первых, с энергетической точки зрения нецелесообразно потребление живой продукции, особенно с высоких уровней цепей питания, потому что образование этой продукции связано с большими потерями (рассеиванием) энергии. Особенно велики потери энергии при переходе с первого трофического уровня на второй, от растений (автотрофов) к растительноядным животным (фитофагам). (В качестве примера можно рассмотреть цепь питания: люцерна – телята - человек. Если бы человек весом 48кг питался в течение года только одной телятиной, то для обеспечения его жизнедеятельности потребовалось бы 4,5 теленка общим весом 1035кг, для питания которых потребовался бы урожай люцерны с площади 4га весом 8211кг). Во-вторых, чтобы накормить человечество планеты, нужно, чтобы в рационе людей большой удельный вес занимала растительная пища.

Нарушение способности саморегуляции экосистемы за счет частичных или резких внешних воздействий приводит к затруднению усвоения солнечной энергии, например, при увеличении загрязнения атмосферы промышленными газообразными выбросами или пылью, уменьшается количество энергии, поступающей по трофической цепи всем другим организмам.