5 Свойства экосистем

Свойства:

1)совокупные (складывающиеся из свойств отдельных компонентов, например, рождаемость)

2)эмерджентные качественно-новые свойства(которые нельзя объяснить суммирование свойств отдельных компонентов)

3)Саморегуляция – способность биосистемы поддерживать структуру и функции за счет положительных и отрицательных обратных связей в условиях изменения окр среды.

4)устойчивость к внешним воздействиям а)резистентная экосистема(способность сопротивляться воздействиям окр. Среды) б)упругая экосистема ( экосистема легко поддается воздействию, но быстро восстанавливается).

5)целостность- в результате взаимодействия организмов между собой и факторами неживой природы возникают потоки энергии и круговорот веществ, объединяющих их в единое целое.

6.Принцип эмерджентности

- следствие иерархической организации живой природы( по мере объединения подсистем в более крупные функциональные единицы у этих новых систем возникают уникальные свойства, которых не было на предыдущем уровне)

Особенность: нельзя свести к сумме свойств подсистем, составляющих экосистему – это ее уникальные несводимые свойства.

Например: скорость фотосинтеза лесного сообщества больше варьирует, чем скорость фотосинтеза отдельных листьев и деревьев.. если 1 части леса фотосинтез снижается, то в другой ее части возможно его усиление.(пример из книги)

7) Образование и разложение органических веществ в биосфере

Образование органических веществ на свету называется фотосинтезом. Фотосинтез – это накопление части солнечной энергии путем превращения ее потенциальную энергию химических связей органических веществ.

Фотосинтез - необходимое связующее звено между живой и неживой природой. Без притока энергии от Солнца жизнь на нашей планете, подчиняясь второму закону термодинамики, прекратилась бы навсегда. Сравнительно недавно (конец 18 столетия) было обнаружено, что в образующихся при фотосинтезе органических веществах соотношение углерода, водорода и кислорода таково, что на 1 атом углерода приходится как бы 1 молекула воды (откуда и название сахаров – углеводы). Считалось, что углеводы образуются из углерода и воды, а кислород выделяется из СО2. Позже английский медик, изучая фото синтезирующие бактерии, показал, что в результате фотосинтеза серные бактерии выделяют серу, а не кислород. Синтезированные растениями углеводы (глюкоза, сахароза, крахмал и др.) являются главным источником энергии для большинства гетеротрофных организмов, населяющих нашу планету. Разложение органических веществ, происходит в процессе метаболизма в живых клетках.

Превращения энергии в живых клетках осуществляются путем переноса электронов с одного уровня на другой или от одного атома или молекулы - к другим. Энергия углеводов выделяется в метаболических процессах при дыхании организмов.

Разложение может быть результатом не только биотических, но и абиотических процессов. Так, например, степные и лесные пожары возвращают большое количество СО2 и других газов в атмосферу и минеральных веществ в почву. Они - важный и иногда даже необходимый процесс в экосистемах, где физические условия таковы, что микроорганизмы не успевают разлагать образующиеся органические остатки. Но окончательное разложение отмерших растений и животных осуществляется, в основном, гетеротрофными микроорганизмами - редуцентами, примером которых являются широко распространенные в сточных и природных водах сапрофитные бактерии. Разложение органических веществ есть результат добывания необходимых химических элементов и энергии в процессе преобразовании пищи внутри клеток их тел. При прекращении этих процессов все биогенные элементы окажутся связанными в мертвых остатках и продолжение жизни станет невозможным. Комплекс разрушителей в биосфере состоит из огромного числа видов, которые, действуя последовательно, осуществляют распад органических веществ до минеральных. Процессы образования органических веществ и их распад называют процессами продукции.

разложение органических остатков - длительный, многоступенчатый и сложный процесс, который контролирует несколько важных функций экосистемы: возвращение элементов питания в круговорот и энергии - в систему; преобразование инертных веществ земной поверхности; образование безвредных комплексных соединений токсичных веществ; поддержание состава атмосферы, необходимого для жизни аэробов. Для биосферы в целом важнейшее значение имеет отставание процессов разложения органических веществ от процессов синтеза их зелеными растениями. Именно это отставание обусловило накопление в недрах планеты горючих ископаемых, а в атмосфере кислорода. Установившийся в биосфере положительный баланс продукционно-деструкционных процессов обеспечивает жизнь аэробных организмов, в том числе и человека.

8) взаимодействие автотрофных и гетеротрофных процессов

Автотрофные и гетеротрофные организмы

(экологическая классификация живых организмов по типу питания)

Все живые организмы, обитающие на Земле, представляют собой открытые системы, зависящие от поступления вещества и энергии извне. Процесс потребления вещества и энергии был назван питанием.

В 80-х гг. XIX в. немецкий биолог Вильгельм Пфеффер разделил все живые организмы по способу питания. Это деление сохранилось и до нашего времени.

Пфеффер исходил из того, что зеленое растение в природе не нуждается в притоке органического вещества извне, а само способно синтезировать его в процессе фотосинтеза. Растения, используя энергию солнечного света и поглощая минеральные вещества из почвы и воды, синтезируют органические вещества. Эти соединения служат растениям материалом, из которого они образуют свои ткани, и источником энергии, необходимой им для поддержания своих функций. Для высвобождения запасенной химической энергии растения разлагают произведенные органические соединения на исходные неорганические компоненты - диоксид углерода, воду, нитраты, фосфаты и другие, завершая тем самым круговорот питательных веществ.

Только исключительно зеленым растениям природой дано искусство создавать органические вещества из воды и воздуха, используя солнечную энергию. Пфеффер назвал их автотрофами, что означает «самопитающиеся, самокормящиеся» (от греч. «авто» - сам, «трофе» - кормиться, питаться). Автотрофные растения не только кормятся сами, но и кормят все остальные живые организмы.

В зависимости от источника энергии автотрофы были поделены на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов. Первые используют для биосинтеза световую энергию (растения, цианобактерии), вторые используют для биосинтеза энергию химических реакций окисления неорганических соединений (хемотрофные бактерии: водородные, нитрифицирующие, серобактерии и др.).

Организмы, которые нуждаются в готовом органическом веществе, образованном другими, Пфеффер назвал гетеротрофами, что означает «питающиеся другими» (от греч. «гетер» - другой). К таким организмам относятся все животные, которые извлекают необходимую им энергию из готовой пищи, поедая растения или других животных. Сюда же можно отнести группу бесхлорофильных растений-паразитов, которые, присасываясь к корням своих собратьев, поглощают необходимые вещества.

По способу получения пищи гетеротрофы делят на фаготрофов и осмотрофов. Фаготрофы питаются путем заглатывания твердых кусков пищи (животные), осмотрофы поглощают органические вещества в растворенном виде непосредственно через клеточные стенки (грибы, большинство бактерий).

По состоянию источника пищи гетеротрофы делят на биотрофов и сапротрофов. Биотрофы питаются живыми организмами и к ним относятся зоофаги (питаются животными) и фитофаги (питаются растениями), в том числе паразиты. Для сапротрофов пищей являются органические вещества мертвых тел или выделения животных. Существуют сапротрофные бактерии, сапротрофные грибы, сапротрофные растения, сапротрофные животные. Среди них встречаются детритофаги (питаются детритом), некрофаги (питаются трупами животных), копрофаги (питаются экскрементами) и др.

Некоторые живые организмы способны как к автотрофному, так и гетеротрофному питанию. Такие организмы называют миксотрофами. Они способны синтезировать органические вещества и питаться готовыми органическими соединениями. Например, насекомоядные растения, эвгленовые водоросли и др.

9) Продукционно-деструкционный баланс в биосфере в целом в современных условиях является положительным. Это обусловлено тем, что не все части отмерших растений и животных разрушаются с одинаковой скоростью. Жиры, сахара и белки разлагаются достаточно быстро, а древесина клетчатка, лигнин, хитин, кости - очень медленно. Наиболее устойчивым промежуточным продуктом разложения органических веществ является гумус, дальнейшая минерализация которого очень замедлена. Медленное разложение гумуса - одна из причин запаздывания деструкции по сравнению с продукцией. С точки зрения химии, гумусовые вещества представляют собой продукты конденсации ароматических соединений (фенолов, бензолов и др.) с продуктами распада белков и полисахаров. Для их расщепления, видимо, требуются специальные ферменты, которые часто отсутствуют у почвенных и водных сапротрофов.

10) САМОРЕГУЛЯЦИЯ ЭКОСИСТЕМ - способность экосистем к изменению внутренних свойств и количественных характеристик отдельных составляющих экологических компонентов, обеспечивающая сохранение общих функциональных и морфологических черт природной системы. Саморегуляция экосистем обычно основана на принципе обратной связи отдельных составляющих природную экосистему подсистем и совершается автоматически.

11) Стабильность экосистем

Самыми важными характеристиками экосистем считают их устойчивость и стабильность.

Под устойчивостью подразумевают способность экосистемы вернуться в первоначальное состояние после прекращения внешнего влияния, которое вывело ее из равновесия, а стабильностью считают способность сохранять структуру и свойства при влиянии внешних факторов. Иногда эти два понятия воспринимают как тождественные, но необходимо различать устойчивость резидентную (стабильность), то есть свойства сохранять равновесие под нагрузкой, и упругую устойчивость, которая отражает способность быстро восстанавливаться после снятия нагрузки.

Стабильность экосистем и их устойчивость, кажется, взаимно исключают друг друга, потому что развивать оба вида устойчивости в пределах одной экосистемы крайне трудно. К примеру, лес, состоящий из деревьев с толстой корой, обладает высокой резидентной устойчивостью к пожарам, однако, если такая экосистема сгорит, восстановление ее обычно очень проблематично. Леса же, которые горят часто, восстанавливаются быстро. Ориентация экосистем на один или другой тип обычно определяется изменчивостью среды. Стабильные условия делают систему склонной к высокой резидентной устойчивости, а изменчивые вынуждают развивать упругую.

12) Типы устойчивости экосистем

Системы с высокой резидентной устойчивостью способны воспринимать значительные воздействия, не изменяя существенно своей структуры, то есть, практически, не выходя за пределы равновесного состояния. Поэтому понятие упругой устойчивости для них не определено (если система не выходила за пределы равновесия, то, как можно говорить о возвращении в равновесное состояние после снятия возмущения). Если внешнее воздействие превышает определенные критические значения, то такая система обычно разрушается. В технике подобное качество называется жесткостью. Предельные значения внешних воздействий, которые система способна выдержать без разрушения, соответствуют запасу жесткости. Когда говорят о высокой резидентной устойчивости, то имеется в виду именно высокий запас жесткости данной системы. Это несколько отличается от понятия высокой стабильности, так как здесь в первую очередь внимание обращается на неизменность структуры. Тундра, например, обладает высокой стабильностью, но она очень ранима, у нее малый запас жесткости, то есть малая резидентная устойчивость. Экосистему тундры очень легко разрушить. Достаточно проехать вездеходу. Колеи, которые он оставляет за собой, сохраняются десятилетиями. Такие экосистемы по аналогии с техникой можно назвать хрупкими. Системы с малой резидентной устойчивостью для нормального существования должны обладать высокой упругой устойчивостью. Они более чувствительны к внешним возмущениям, под действием которых они как бы «прогибаются», частично деформируя свою структуру, но после снятия или ослабления внешних воздействий быстро возвращаются в исходное равновесное состояние. При превышении пороговых воздействий такая система теряет устойчивость, то есть все дальше удаляется от состояния равновесия. Диапазон воздействий, которые может выдержать система без разрушения, в технике соответствует запасу упругости. Таким образом, степень упругой устойчивости можно оценить как упругостью, определяющей степень сопротивления внешнему воздействию и скорость возврата в исходное состояние после снятия воздействия, так и запасом упругости. В отличие от упругих систем, пластичные системы после снятия внешнего воздействия не возвращаются в исходное состояние, а приходят к какому-то другому равновесному состоянию. Так согласно точке зрения оппонентов теории моноклимакса, для экосистем характерно не одно, а несколько состояний равновесия (климакса). Таким образом, для пластичных экосистем характерна малая упругая и малая резидентная устойчивость. Похоже на то, что резидентная и упругая устойчивости взаимно исключают друг друга, точнее, экосистеме трудно развивать оба вида устойчивости. Например, одни леса состоят из деревьев с толстой корой, обладающих повышенной резидентной устойчивостью к пожарам. Но если такой лес все-таки сгорит, то его восстановление, как правило, крайне проблематично. Напротив, многие леса очень часто горят (низкая резидентная устойчивость), но быстро восстанавливаются (высокая упругая устойчивость). Ориентация экосистем на один из видов устойчивости определяется, как правило, изменчивостью среды: при стабильных условиях экосистемы склонны к более высокой резидентной устойчивости, при изменчивых условиях предпочтение отдается упругой устойчивости. Природа обоих видов устойчивости состоит в наличии в экосистеме разного рода обратных связей. В основном это отрицательные обратные связи, которые направлены на стабилизацию параметров экосистемы, возвращая их значения к какой-то изначально заданной величине. Однако немаловажную роль играют и положительные обратные связи, усиливающие благоприятные для системы изменения, например, в плане роста и выживаемости организмов. Однако деятельность положительных обратных связей обязательно должна быть ограничена соответствующими отрицательными обратными связями, иначе ничем не контролируемая экспансия жизни может привести экосистему к гибели.

13) Экологические сукцессии

Процесс, при котором сообщества видов растений и животных замещаются с течением времени другими, обычно более сложными сообществами, называется экологической сукцессией, или просто сукцессией. Экологическая сукцессия обычно продолжается до тех пор, пока сообщество не станет стабильным и самообеспечивающимся. Экологи выделяют два вида экологических сукцессии: первичные и вторичные.