3.Экологическая ниша: потенциальная и реализованная. Первое и второе начало термодинамики. Правила 1% и 10% энергии Линдемана

Система — совокупность взаимодействующих элементов, состав­ляющих более или менее ограниченное целостное единство. Связи вза­имодействия между элементами внутри системы сильнее, чем с внешними, что определяет границы системы {морфологические, или функциональные).

Биосистема имеет несколько уровней организации: первый — гены и определяемые ими генетические системы; затем — клетки и составляемые ими клеточные системы; следующий уровень — органы и системы органов; затем — организмы и системы организмов, популяции и популяционные системы, сообщества и экосистемы.

Сообществу и экосистеме по смысловому значению близко Понятие «биоценоз». Уточним эти понятия.

Биоценоз — взаимосвязанная совокупность организмов — продуцентов, консументов и редуцентов, населяющая более или менее однородный участок суши или водной среды.

Сообщество — совокупность взаимосвязанных особей, взаимосвязанных видов в пределах какого-то пространства.

Сообщества организмов связаны с неорганической средой теснейшими материально-энергетическими связями. Растения могут существовать только за счет постоянного поступления в них углекислого газа, воды, кислорода, минеральных солей. Гетеротрофы живут за счет автотрофов, но нуждаются в поступлении таких неорганических соединений, как кислород и вода. В любом конкретном местообитании запасов неорганических соединений, не­обходимых для поддержания жизнедеятельности населяющих его организмов, хватило бы ненадолго, если бы эти запасы не возобновлялись. Возврат биогенных элементов в среду происходит как в течение жизни организмов (в результате дыхания, экскреции, дефекации), так и после их смерти в результате разложения трупов и растительных остатков. Таким образом, сообщество образует с неорганической средой определенную систему, в которой поток атомов, вызываемый жизнедеятельностью организмов, имеет тенденцию замыкаться в круговорот.

Любую совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ, называют экосистемой. Термин был предложен в 1935 г. английским экологом А.Тенсли, который подчеркивал, что при таком подходе неорганические и органические факторы выступают как равноправные компоненты, и мы не можем отделить организмы от окружающей их конкретной среды. А.Тенсли рассматривал экосистемы как основные единицы природы на поверхности Земли, хотя они и не имеют определенного объема и могут охватывать пространство любой протяженности.

Основные свойства экосистем — ее способности:

- осуществлять круговорот веществ в среде обитания;

- противостоять внешним воздействиям;

- производить биологическую продукцию.

Под средой обитания обычно понимают природные тела и явления передачи материи, энергии, информации, с которыми организмы находятся в прямых или косвенных взаимоотношения"

Различают понятия «окружающая среда» и «природная среда»; Окружающая среда — среда, существенно измененная человеком Природная среда — среда, мал отмененная человеком.

Можно выделить следующие основные составляющие окружающей среды, среды обитания и производственной деятельности человека: воздушная среда, водная среда (гидросфера), животный мир, растительный мир, почва (природное образование, характеризующееся плодородием), недра (верхняя часть земной коры, пределах которой возможна добыча полезных ископаемых), климатическая, электромагнитная и акустическая среды. Наиболее уязвимыми составляющими, без которых невозможно существование человека и которым наносится наибольший ущерб человеческой деятельностью, связанной с развитием промышленности и урбанизацией, являются воздушная среда и гидросфера. Их загрязнение наносит также серьезный вред природе (совокупности есте­ственных условий существования человеческого общества).

Для поддержания круговорота веществ в системе необходимо наличие:

1) запаса неорганических молекул в усвояемой форме;

2) трех функционально различных экологических групп организмов — продуцентов, консументов и редуцентов.

2.Трофическая структура биоценоза (продуценты, консументы, редуценты). Пищевые цепи и трофические уровни, пищевые сети.

Процесс фотосинтеза состоит в том, что в результате сложных химических реакций такие вещества как вода и диоксид углерода соединяются в молекулы сахаров (в частности, глюкозы) с выделением свободного кислорода.

Согласно второму началу термодинамики, любые виды энергии в конечном счете переходят в тепловую форму и рассеиваются. Многие химические реакции связаны с выделением свободной энергии, т. е. с рассеиванием ее по градиенту. Для того, чтобы могли совершаться жизненные процессы (работа), энер­гия солнечного излучения должна накапливаться в экосистеме против термодинамического градиента. Суть фотосинтеза со­стоит в том, что происходит увеличение свободной энергии в органическом веществе за счет преобразования энергии фотона солнечного света ¹ в энергию химических связей орга­нического вещества (Q):

6СО₂ + 6Н₂О = C₆H₁₂0₆ + 60₂ + Q.

Замечательной особенностью специфических органических соединений клетки (пигментов) является то, что усваиваемая ими энергия фотонов не деградирует в тепловую, не рассеивается в пространстве, а наоборот в последовательной цепи химических реакций преобразуется в энергию связей химических веществ, синтезируемых при этих процессах. К. А. Тимирязев писал, что все органические вещества, сколь бы разнообразны они ни были и где бы они ни находились (в растении, животном),— прошли через зеленый лист.

Таким образом, растения непрерывно усваивают из атмосферного воздуха огромное количество диоксида углерода (око­ло 200 млрд т/год) и выделяют 145 млрд т свободного кислорода, образуя более 100 млрд т органического вещества. Именно им мы обязаны стабильностью газового состава атмосферы, '' а также сохранением определенного газового баланса. Общее количество запасаемой растениями ежегодно энергии оценивается значением 20,9-10²² кДж.

В приведенной выше реакции фотосинтеза органическое вещество не сразу полимеризуется в сахар. Первичным продуктом является так называемая фосфоглицериновая кислота (ФГК), превращающаяся в фосфоглицериновый альдегид в результате присоединения молекулы СО₂ к рибулезодифосфату СН₂0(Р), т. е. при карбоксилировании. Далее, в результате сложных химических процессов образуется фруктоза, являющаяся исходным материалом для образования других видов углеводов.

Кроме того, синтез органического вещества может осуществляться бактериями. Источником углерода для них является диоксид углерода, восстанавливающийся за счет молекулярного водорода или водорода, входящего в состав сероводорода или какого-либо иного неорганического вещества. Считается, что именно фотосинтез бактерий был первичным биологическим процессом на Земле, первым этапом развития автотрофности.

Совокупность всех живых существ в экосистеме называют биотой. Она образует биотическую структуру экоси­стемы.

Важнейшими взаимосвязями в системах являются трофические (пищевые) пути, которые осуществляют обмен вещества, его круговорот. Пищевые связи объединяют виды в трофические цепи, обеспечивающие устойчивое существование входящих в них видовых популяций. Как правило, в экосистеме насчитывается не более трех-четырех трофических уровней, образующих безотходную пищевую цепь.

Все пищевые цепи начинаются с продуцентов. Без непрерывного образования органического вещества экосистема быстро прекратила бы свое существование. Высвобождение запасенной продуцентами потенциальной энергии обеспечивает существование других биологических видов.

Продуценты — это основополагающий уровень трофической цепи, в основном зеленые растения, осуществляющие фотосинтез, при котором происходит превращение диоксида углерода и воды в сахара, с выделением кислорода. Для этого процесса необходима солнечная энергия. Из сахаров и минеральных элементов растения синтезируют разнообразные вещества, обеспечивающие жизнь. Улавливание световой энергии происходит с помощью зеленого пигмента — хлорофилла.

Для каждой экосистемы характерны свои продуценты — от одно­клеточных водорослей и некоторых микроорганизмов до гигантских деревьев. Продуценты — зеленые растения — производят пищу, орга­нические вещества для всех остальных организмов экосистемы.

Организмы, потребляющие созданные продуцентами органические вещества, называют консументами, или гетеротрофами. Термины «гете­ротрофный» и «автотрофный» типы питания, предложенные для животных и растений, недостаточны для характеристики многообразия обмена веществ у микроорганизмов. Микробы называют автотрофами, если клетки получают углерод в результате фиксации углекислоты», Для гетеротрофов источником углерода будут различные органические соединения. Микроорганизмы, для которых источником энергии служит электромагнитное излучение (свет), называют фототрофнымьк т. е. фотосинтезирующими. Если источником энергии являются окислительно-восстановительные реакции с соответствующим метаболизмом определенных питательных веществ, то такие микробы называют хемотрофами. Литотрофы способны использовать неорганические элементы, донаторы электронов (водород, железо, окись углерода и многие другие). Органотрофы — это организмы, использующие в качестве донаторов электронов органические соединения.

Консументы — это самые разнообразные организмы: простейшие насекомые, пресмыкающиеся, рыбы, птицы, млекопитающие, включая человека; все они перерабатывают уже готовое органическое вещество. Консументов подразделяют на подгруппы в соответствии с различиями в источниках питания. Животные, потребляющие продуценты, называют первичными консументами, или консументами первого порядка. Их используют в пищу вторичные консументы. Например, кролик, питающийся морковью консумент первого порядка, а лиса, охотящаяся за кроликом,— консумент второго порядка. Некоторые виды живых организмов соответствуют нескольким таким уровням. Например, когда человек потребляет в пищу овощи первого порядка, мясо — консумент второго порядка, а хищную рыбу — выступает в роли консумента третьего порядка.

Первичные консументы, питающиеся только растениями, называют растительноядными или фитофагами, консументы второго и более высоких порядков — плотоядными. Виды, употребляющие в пищу как растения, так и животных, относят к всеядным, например человек.

Мертвые растительные и животные остатки, например опавшие листья, трупы животных, продукты систем выделения, называют детритом. Существует множество организмов, питающихся детритом,— детритофаги. Примером могут служить грифы, шакалы, черви, раки, термиты, муравьи и т. п. Различают первичных детритофагов, питающихся непосредственно детритом, вторичных и т. п.

Обычно детрит (в частности, опавшие листья, валежная древесина) животными не поедается, а гниет и разлагается в процессе питания грибов и бактерий. Грибы и бактерии выделяют в особую группу детритофагов и называют редуцентами. Они замыкают биогеохимический круговорот веществ, разлагая органические вещества на исходные неорганические составляющие — диоксид углерода и воду.

Мертвые растительные и животные остатки, например листья, останки животных, экскременты и т. д., поглощаются специализированными консументами — детритофагами. Например, различные термиты, муравьи, земляные черви, раки, многоножки, грифы и другие «санитары». В этой экологической «специализации» — величайший смысл безотходности биологических циклов. Человеку пока не удалось создать ни одного безотходного производства.

Бактерии, низшие грибы играют особую роль в детрофагии и относятся к редуцентам (восстановителям биосистемы); их биомасса служит источником вещества и энергии для других организмов. В трофических взаимоотношениях существуют также отношения хищник — жертва, паразитизм и др.

Таким образом, многообразные экосистемы имеют структурное сходство. В каждой из них можно выделить продуцентов, различные уровни консументов, детритофагов и редуцентов. Все они составляют биотическую структуру экосистем.