53. Роль продуцентов, консументов и редуцентов в круговороте вещества и энергии

Органические вещества, созданные продуцентами, служат пищей и источником энергии для консументов. Консументы-фитофаги поедают растения, хищники 1-го порядка – фитофагов, а хищники второго порядка – хищников первого порядка. Идет скрытая передача энергии - это и есть пищевая цепь, где каждое звено является трофическим уровнем: 1 уровень ~ первичные продуценты (растения и сине-зеленные водоросли); 2 уровень - первичные консументы (насекомые, рептилии, птицы, млекопитающие плюс паразиты растения); 3 уровень ~ вторичные консументы (плотоядные животные или хищники); 4 – редуценты (бактерии, грибы). Например: нектар ~ муха - паук - землеройка ~ сова и т.д. Пищевые сети: животные могут питаться организмами разных типов из одной и той же пищевой цепи или даже из разных, это особенно относится к хищникам из верхних трофических уровней. Существуют всеядные животные. Пищевые цепи образуют трофическую сеть.

Растения фиксируют не более 1-2% солнечной энергии, остальное затрачивается на нагревание атмосферы, суши и испарение. Из накопленной растениями солнечной энергии всего 7-10% выедается растительноядными животными. А большую часть получают бактерии и грибы, которые питаются от корней растений и выделяют в почву углеводы, а также детритофаги и редуценты, питающиеся отмершими растениями.

Для понимания процессов превращения энергии в экосистеме полезны законы термодинамики, которые сформулированы физиками. Первый закон («закон сохранения энергии») гласит, что энергия не возникает и не исчезает, а только переходит из одной формы в другую. Поэтому энергия в экосистеме не может появиться сама собой, а поступает в нее извне – от Солнца или в результате химических реакций неорганических веществ.

Второй закон термодинамики («закон выравнивания энергии») – это закон снижения качества энергии. Он объясняет то, как энергия переходит из одной формы в другую. При любом превращении энергии некоторое количество всегда переходит в менее качественную, менее полезную энергию. В соответствии с этим законом растениями используется лишь часть поступающей в экосистему солнечной энергии, остальная рассеивается и переходит в тепловую, которая расходуется на нагревание среды экосистемы. Лишь небольшая часть солнечной энергии, поглощенной растением, расходуется на продукцию. Рассеивание энергии продолжается при дыхании и ее передаче гетеротрофным организмам. При переходе по трофическим уровням значительное количество энергии также рассеивается и снижает свое качество. Именно поэтому КПД перехода энергии с одного трофического уровня на другой не превышает 7-10%. После смерти организмы будут разрушены редуцентами и энергия полностью рассеется.

Правило одного процента - изменение энергетики природной системы в пределах 1 % выводит природную систему из равновесного состояния (квазистационарного состояния). Правило десяти процентов - среднемаксимальный переход с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой 10 % энергии (или вещества в энергетическом выражении), как правило, не ведет к неблагоприятным для экосистемы последствиям.

О круговороте вещества см. ВОПРОС №29 (про круговорот С). Если необходимо рассказать о круговороте азота, то он вовлекается в круговорот из атмосферы под действием света, при разрядах молний и благодаря азотфиксации. Он включается в состав белков, которые вместе с мочевиной потом аммонифицируются. В такой форме азот легко усваивается растениями. Но все же основная часть азота усваивается растениями в виде нитрат ионов (благодаря нитрификации). Нарушение круговоротов вещества на любом из его этапов непременно окажет воздействие на все остальные этапы. При этом может возрастать потеря биогенных элементов, и в результате снижается продуктивность сообщества.

54.Геохимическими барьерами называются участки биосферы, где на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как следствие, их концентрирование. На геохимических барьерах образуются рудные и безрудные аномалии.

Согласно современным представлениям, различают следующие геохимические барьеры в биосфере:

- механический;

- физико-химический;

- биогеохимический;

- техногенный.

Первые три типа геохимических барьеров существовали в биосфере до возникновения человеческой цивилизации. Последний, техногенный, появляется в результате целенаправленного воздействия человека на окружающую среду и его роль все возрастает.

Механический барьер – участок резкого уменьшения интенсивности механической миграции химических элементов. На таких барьерах формируются золотые, платиновые, оловянные, монацитовые, алмазные и прочие россыпи. Такого типа барьеры образуются на путях распространения литохимических потоков рассеивания в результате уменьшения скорости и несущей способности потока и, как следствие, выпадения тяжелой фракции.

Биогеохимическийбарьер – связан с биогенным концентрированием химических элементов. Примером такого барьера является верхний гумусовый слой почвы, где концентрируются металлы в результате образования различных малорастворимых металлоорганических соединений. На биогеохимических барьерах образуются залежи горючих ископаемых (концентрируется углерод) – угля, торфа, нефти. С биогеохимическим барьером также связано образование залежей известняка, фосфоритов, селитры (концентрируются углерод, кальций, азот, фосфор).

Физико-химическийбарьер – наиболее обширный тип геохимических барьеров, обусловлен изменением интенсивности миграционных потоков элементов в результате протекания различных физико-химических процессов в литосфере и гидросфере.

Техногенные геохимические барьеры – связаны с деятельностью человека, приводящей к образованию техногенных потоков рассеивания химических элементов и их концентрированию в различных геосферах. Ярким примером является складирование и захоронение отходов, в которых содержание химических элементов в десятки и сотни раз превышает их кларковые значения в литосфере.

Рассмотрим концентрирование химических элементов на физико-химических геохимических барьерах. Физико-химические барьеры формируются на путях распространения водных миграционных потоков рассеивания и связаны с процессами образования малорастворимых соединений (минеральных форм) химических элементов. Интенсивность миграции элементов в природных растворах зависит от целого ряда факторов и определяется, в основном, протеканием следующих химических реакций, идущих в водной среде (А – химический элемент, n – валентность):

а) образование нерастворимых гидроксидов металлов;

An+ + nH2O Û A(OH)n + n H+

Cu2+ + 2H2O Û Cu(OH)2 + 2H+

б) образование нерастворимых кислот анионогенных элементов;

A2On2-n + (n-2) H2O Û H2-nA2On + (2-n) OH

SiO32- + 2H2O Û H2SiO3 + 2OH-

в) образование нерастворимых окисленных форм элементов;

An+ + (n+m) H2O - m e- Û A2n+mOn+m + (n+m) H+

2Fe2+ + 3H2O - 2e- Û Fe2O3 + 6H+

г) образование нерастворимых восстановленных форм элементов.

An+ + (n-m) H2O + m e- Û AmOn-m + 2(n-m) H+

2Cu2+ + H2O + 2 e- Û Cu2O + 2 H+

При наличии в природных водах достаточного количества анионов сульфида или гидросульфида (S2-, HS- ), карбоната или бикарбоната (СО32-, НСО3-), а также сульфата SO42- появляется возможность образования малорастворимых сульфидов, карбонатов и сульфатов химических элементов.

Следовательно, образование химических барьеров в водных миграционных потоках обусловлено кислотно-основной и окислительно-восстановительной обстановкой, а также химическим составом потоков.

Многообразие видов физико-химических барьеров требует их определенной систематизации. Современная их систематизация, разработанная известным геохимиком А.И. Перельманом, базируется на двух принципах учитывающих класс физико-химического барьера и состав вод, поступающих к барьеру.