Функціонування біоценозу.

Будь-яке угрупування живих організмів можна представити у вигляді кормової мережі, яка є сукупністю всіх трофічних зв’язків (ланцюгів живлення) між видами, що входять до складу цього угрупування.

Ланцюги живлення, або харчові ланцюги, якими постійно перебігає енергія, прямо чи опосередковано об’єднують всі організми в єдиний комплекс. Кожна ланка харчового ланцюга називається трофічним рівнем.

Перший трофічний рівень представлений продуцентами, або автотрофами - зеленими рослинами, які здатні використовуючи сонячне проміння і синтезувати із низькоенергетичних мінеральних (неорганічних) сполук високоенергетичні органічні сполуки.

Крім продуцентів до складу біоценозу входять гетеротрофи (від грец. гетеро - інший, трофе - корм) - організми, які використовують для споживання (харчування) готові органічні речовини. Вони складають наступні трофічні рівні і представлені консументами (від лат. копито - споживаю, організми, що не здатні будувати своє тіло із неорганічних речовин і потербують готову органічну їжу; представлені різноманітними тваринами) та деструкторами або редуцентами (від лат. гебиееге - повертати, організми, що використовують як їжу органічну речовину і здійснюють її мінералізацію - руйнування до відносно простих неорганічних сполук).

Другий трофічний рівень утворюють травоїдні тварини, яких називають первинними консументами. М’ясоїдні тварини, які живляться травоїдними, називають вторинними консументами, або первинними хижаками - вони перебувають на третьому трофічному рівні.

Хижаки, які живляться первинними хижаками складають четвертий трофічний трофічний рівень і називаються третинними консументами та вторинними хижаками і т.д.

Трофічних рівнів, представлених консументами може бути досить багато, але їх загальна кількість обмежується законом піраміди енергій (законом 10%). Відповідно до закону закону піраміди енергій з одного трофічного рівня екологічної піраміди переходить на інші рівні не більше 10% енергії - решта розсіюється у вигляді тепла.

Кінцеву ланку кормового ланцюга утворюють деструктори (редуценти). Вони представлені бактеріями, грибами-сапрофітами. Саме вони завершують біологічні цикли речовини в біосфері, повертаючи до середовища вуглекислий газ, мінеральні солі, воду, сірководень, азот та інші речовини, що можуть знову бути використані рослинами.

Вивчення трофічних зв’язків свідчить, що в природі жодний живий організм не може існувати ізольовано, оскільки займає своє визначене місце в потоці речовини та енергії у біосфері.

Ланцюг живлення можна уявити у вигляді так званих екологічних пірамід фундамент яких складають численні види рослин, наступні рівні створюють рослиноїдні та м’ясоїдні тварини, чисельність, біомаса та кількість енергії зафіксована в яких швидко зменшується в напрямку до вершини, яку посідають нечисленні великі хижаки.

Є три основні види екологічних пірамід:

• піраміда чисел - показує чисельність організмів на різних трофічних рівнях;

• піраміда біомаси - характеризує загальну суху вагу, калорійність або іншу міру загальної кількості живої речовини на різних трофічних рівнях;

• піраміда енергій - відповідає кількості енергії (на одиницю площі чи об’єму), що проходить через певний трофічний рівень.

Піраміда чисел відображає чітку закономірність, виявлену Ч.Елтоном: кількість особин, що складають послідовний ланцюг від продуцентів до консументів, постійно зменшується. В основі цієї закономірності знаходяться положення про те, що: а) для урівноваження маси великого тіла необхідно багато малих тіл; б) при переході енергії від нижчих трофічних рівнів до вищих відбуваються колосальні втрати енергії - від кожного рівня до наступного доходить лише 10 % енергії; в) зворотна залежність метаболізму від розмірів особини - чим менший організм, тим інтенсивніший обмін речовин, тим більша швидкість росту їх чисельності і біомаси.

В наземних екосистемах діє наступне правило піраміди біомас: сумарна маса рослин перевищує масу всіх травоїдних, а їх маса перевищує всю біомасу хижаків.

Правило піраміди продукції (енергії): на кожному попередньому рівні кількість біомаси, що створюється за одиницю часу більше, ніж на наступному.

Правило накопичення токсичних речовин (біотичного посилення). Якщо енергія при переході на вищий рівень екологічної піраміди десятикратно втрачається, то накопичення ряду речовин, в т.ч. токсичних, радіоактивних в приблизно такій же пропорції зростає.

Екологічні ніші. Термін екологічна ніша був уперше вжитий американцем Д.Гріннелом у 1928 р.

Екологічна ніша - це сукупність:

• всіх вимог організму до умов середовища життя (складу і режимів екологічних факторів) і місце, де ці вимоги реалізуються;

• уся множина біотичних характеристик і фізичних, хімічних параметрів середовища, що визначають умови існування того чи іншого виду, перетворення ним енергії, обміну інформацією із середовищем.

Таким чином, екологічна ніша - фізичний простір з властивими йому екологічними умовами, що визначають існування будь-якого організму. Це місце виду в природі, що включає не лише становище його в просторі, а й функціональну роль у біоценозі та ставлення до абіотичних факторів середовища існування. Екологічна ніша характеризує ступінь біологічної спеціалізації даного виду.

Кожна популяція характеризується фундаментальною та реалізованою екологічною нішою. Фундаментальна екологічна ніша є комплексом екологічних факторів, необхідних для певного виду за відсутності конкурентів. Цей тип ніші відповідає потенційним можливостям виду. Реалізована ніша відображає фактичний стан існування популяції в умовах конкурентної боротьби. Вона як правило, в тій чи іншій мірі менше фундаментальної.

Організми, що мають подібний спосіб життя, як правило, не живуть в одних і тих же місцях через наявність жорсткої міжвидової конкуренції. Правило конкурентного виключення Гаузе: Два види, що займають одну екологічну нішу, не можуть співіснувати в одному місці нескінченно довго. В природі діє також правило обов’язкового заповнення екологічних ніш - порожні екологічні ніші завжди і обов’язково заповнюються. Так, наприклад, в містах при підвищеному рівні забрудненості харчовими відходами зростає кількість ворон, при їх знищенні може виникнути ситуація, при якій звільнена воронами екологічна ніша швидко займається видом, що має близьку екологічну нішу - щурами.

4. Біогеоценози, їх структура та динаміка. У 1935 р. англійський ботанік А.Тенслі уперше увів до екології термін „екосистема”. Екосистема - система, що складається з живих організмів різних груп та середовища, у якому вони існують. Екосистеми бувають різноманітних розмірів (від краплі води до біосфери), простими і складними, штучними (акваріум, теплиця, пшеничне поле, космічний корабель) і природними (лісів, степів, річок). Елементарною наземною екосистемою, головною формою існування природних екосистем є біогеоценоз.

Біогеоценоз - організована група популяцій тварин, рослин, грибів і мікроорганізмів, пристосованих до сумісного існування у межах певного простору. Всі складові біоценозу тісно пов’язані між собою обміном речовини та енергії. Поняття біогеоценозу до науки увів російський вчений В.Сукачов у 1942 р.

Головні дві складові біогеоценозу - біотоп та біоценоз.

Біотоп - однорідний за абіотичними факторами середовища життєвий простір. Біоценоз - сукупність усіх представлених у межах біотопу організмів. Його функціональними складовими є фітоценоз, зооценоз, мікоценоз та мікроценоз.

Динамізм біогеоценозу полягає у взаємодії біотичного та абіотичного блоків, через які проходять речовина та енергія, створюючи біохімічні колообіги й енергетику екосистеми.

Структура біогеоценозу - це своєрідна анатомія цього складного утворення, динаміка - його фізіологія, яка проявляється в кількісній і якісній специфіці потоків енергії й обміну речовин. Протидія біотичних компонентів впливу зовнішніх сил і гомеостаз біогеоценозів зумовлені процесами, пов’язаними з надходженням, трансформацією і використанням енергії.

Енергетика біогеоценозу - це забезпеченість екосистеми енергією та її використання. Вона включає такі процеси: 1. Одержання енергії від двох основних джерел - сонячної радіації (фотосинтез) і реакції окислення неорганічних речовин (хемосинтез); 2. Транспортування енергії трофічними рівнями; 3. Використання енергії організмами для продукування біомаси й життєдіяльності.

Продуктивністю називають здатність живої речовини створювати, трансформувати й нагромаджувати органічну речовину (біомасу). Продуктивність - одна з найважливіших характеристик біогеоценозу, вона відображає ефективність їх роботи, швидкість потоку енергії й речовини в їхніх ланцюгах живлення.

Розрізняють різні рівні продукування, на яких створюється первинна і вторинна продукція. Органічна маса, що створюється продуцентами за одиницю часу, називається первинною продукцією, а приріст за одиницю часу маси консументів - вторинною продукцією.

Первинна продукція поділяється на два рівні - валову і чисту продукцію. Валова первинна продукція - це загальна маса валової органічної речовини, створена рослинами за одиницю часу при даній швидкості фотосинтезу. Та частина валової продукції, яка залишилась після витрат на дихання називається чистою первинною продукцією. Рослини витрачають на дихання від 40 до 70 % валової продукції.

Всі живі організми біогеоценозу (екосистеми) - продуценти, консументи і редуценти - складають загальну біомасу (живу вагу) співтовариства у цілому. Біомасу, як правило, виражають через сиру та суху вагу, але її можна виражати також в енергетичних одиницях - калоріях, джоулях і т.п.

5. Біосфера. Автором терміну “біосфера” є французький дослідник природи Жан Батіст Ламарк, який використав його у 1803 р. у праці з гідрогеології Франції для позначення сукупності організмів, що мешкають на земній кулі. Потім цей термін було практично забуто. Лише в 1875 р. його було „відроджено” професором Віденського університету, геологом Едуардом Зюссом (1831-1914) у роботі “Виникнення Альп”. Він розглядав біосферу як особливу оболонку Землі, охоплену життям. Саме в такому значенні вперше в 1914 р. використав цей термін російський вчений українського походження Володимир Вернадський, який одним із перших усвідомив величезний перетворюючий вплив живих організмів на усі зовнішні оболонки Землі. Наукові уявлення про біосферу як “живу” оболонку Землі вчений виклав у своїх лекціях, прочитаних у Карловому університеті у Празі та у Сорбоні в Парижі протягом 1923-1924 рр. Згодом ці положення були узагальнені у книзі “Біосфера” (1926).

В.І.Вернадський наголошував на наступних особливостях біосфери:

• біосфера є оболонкою життя - простір існування живої речовини (жива речовина - сукупіність усіх живих організмів біосфери);

• біосферу можна розглядати як ділянку Земної кори, зайняту своєрідними трансформаторами, які перетворюють космічні випромінювання в земну енергію - електричну, хімічну, механічну, теплову.

Біосфера (гр. bios - життя, sphaira - куля, сфера) - складна зовнішня оболонка Землі, населена живими організмами, що складають у своїй сукупності живу речовину планети. Це простір нашої планети, в якому існує та “працює” жива речовина.

Жива речовина характеризується:

• Високоорганізованою внутрішньою структурою;

• Здатністю уловлювати із зовнішнього середовища й трансформувати речовини та енергію, забезпечувати за їх допомогою процеси своєї життєдіяльності;

• Здатністю підтримувати сталість власного внутрішнього середовища, незважаючи на коливання умов зовнішнього середовища, якщо ці коливання сумісні з життям;

• Здатністю до самовідновлення шляхом розмноження.

Рівні організації живого. Розрізняють наступні рівні організації живого: клітина - тканина - орган - організм - популяція - біоценоз - біосфера.

Сукупність клітин, які виконують різні функції, будуть складати організм, а сукупність особин одного виду, які займають певну територію - популяцію, сукупність популяцій - біоценоз, сукупність біоценозів планети Земля входить до складу біосфери.

У межах біосфери створились умови, необхідні для життя: 1. Достатня кількість вуглекислого газу і кисню; 2. Достатня кількість вологи, яка забезпечує нормальний хід ферментних процесів; 3. Сприятливий термічний режим, що виключає і занадто високі, і надто низькі температури; 4. Необхідний мінімум мінеральних речовин у ґрунтовому шарі, доступних для засвоєння мікроорганізмами і рослинами; 5. Обмеження солоності води в середовищі; 6. Відсутність концентрацій речовин, які перевищують допустимі для живих організмів рівні.

Склад та межі біосфери. До біосфери входить частина атмосфери до висоти 25-30 км (до озонового шару), практично вся гідросфера і верхня частина літосфери, приблизно до глибини 8-10 км.

Верхня межа біосфери, за В.І.Вернадським, є променевою, а нижня - термічною. Променева межа зумовлена наявністю жорсткого короткохвильового (ультрафіолетового) випромінювання, від якого життя на Землі захищає озоновий шар, термічна - наявністю високих температур у надрах Землі.

Функціонування біосфери. Біосфера - це відкрита термодинамічна система, що одержує енергію у вигляді променистої енергії Сонця й теплової енергії процесів радіоактивного розпаду речовин у земній корі та ядрі планети. Проте основним енергетичним джерелом процесів, що відбуваються у біосфері є енергія Сонця.

У процесі роботи, яку здійснює біосфера, вловлена сонячна енергія трансформується - виконує роботу й розсіюється. Ці два процеси підпорядковані двом фундаментальним законам - першому та другому законам термодинаміки.

Перший закон термодинаміки (закон збереження енергії) - енергія не може бути ні народжена, ні знищена, вона може бути лише трансформована з однієї форми в іншу. Загальна кількість енергії в системі при цьому не змінюється.

Другий закон термодинаміки стверджує, що при виконанні роботи енергія не може передаватись на 100%, втрати у вигляді тепла є неминучими. Закон визначає напрям якісних змін енергії в процесі трансформації з однієї форми в іншу. Він описує співвідношення корисної та марної роботи під час переходу енергії з однієї форми в іншу й дає уявлення про якість самої енергії.

Чим енергія якісніша, тим більша її частина витрачається на виконання корисної роботи, й менше розсіюється у вигляді тепла. Високоякісна енергія може бути без додаткових енергетичних затрат трансформована у більшу кількість видів енергії, ніж низькоякісна.

Кількість енергії найнижчої якості в системі відображає термін „ентропія”. Ентропія - це міра дезорганізації, безладу, хаосу.

Отже, за другим законом термодинаміки, будь-яка робота супроводжується трансформацією високоякісної енергії в енергію нижчої та найнижчої якості - тепло - й призводить до зростання ентропії.

Знизити ентропію в термодинамічно ізольованій системі, яка не отримує енергії ззовні не можливо - адже вся якісна енергія такої системи врешті-решт перетворюється на низькоякісну, деградує до тепла. Біосфера є відкритою системою, яка підтримує власний низький рівень ентропії, використовуючи для цього зовнішнє джерело якісної променистої енергії - Сонце.

Геохімія живих організмів. Усі рослинні та тваринні організми складаються з тих самих хімічних елементів що і тіла неживої природи, але у іншому співвідношенні. У клітинах живих організмів виявлено близько 90 елементів періодичної системи Д.І.Менделєєва. Найбільше (98%) у клітинах кисню (70%), водню (10%), вуглецю (18%).

Хімічні елементи, вміст яких в клітині складає понад 0,01% називаються макроелементами Елементи, вміст яких не перевищує в клітині 0,01%, називаються мікроелементами.

Макроелементи: О, Н, С, N Ca, S, P, К, Si, Mg, Fe, Na, Сl, Al;

Мікроелементи: Zn, Вr, Мn, Сu, I, As, В, F, Рb, Ті, V, Сг, Ni, Sr, Ag, Сo, Ва.

Елементи, постійно представлені в живих організмах називають біогенними.

З-поміж неорганічних речовин найважливіше значення для живих організмів мають вода, мінеральні солі, кислоти, основи. Вода складає 80% об’єму клітини. З-поміж органічних основними є білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи, жири та ін.

Геохімічні кругообіги у біосфері. За рахунок процесів міграції хімічних елементів усі геосфери Землі зв’язані між собою єдиним циклом кругообігу цих елементів. Такий кругообіг, рушійною силою якого є тектонічні процеси та сонячна енергія, отримав назву великого (геологічного) кругообігу. Цей кругообіг має абіотичний характер.

Виникнення життя на Землі спричинило появу нової форми міграції хімічних елементів - біогенної. За рахунок біогенної міграції на великий кругообіг наклався малий (біогенний) кругообіг речовин. На відміну від великого, він здійснюється лише у межах біосфери. Суть його в утворенні живої речовини із неорганічних речовин у процесі фотосинтезу та в перетворенні органічної речовини при розкладані знову в неорганічні сполуки.

Закон біогенної міграції атомів (В.І.Вернадського). Міграція хімічних елементів на земній поверхні і в біосфері у цілому відбувається або за безпосередньої участі живої речовини (біогенна міграція) або ж вона відбуваєтья в середовищі, геохімічні особливості якої обумовлені живою речовиною, як тим, що в даний час населяє біосферу, так і тим, що діяло на Землі протягом усієї геологічної історії.

Обидва кругообіги відбуваються одночасно та тісно зв’язані між собою.

Живі організми у біосфері ініціюють кругообіг речовин та призводять до виникнення біогеохімічних циклів. Біогеохімічні цикли становлять собою циклічні переміщення біогенних елементів: вуглецю, кисню, водню, азоту, сірки, фосфору, кальцію, калію та ін. від одних компонентів біосфери до інших. На певних етапах цього кругообігу вони входять до складу живої речовини.

Рушійною силою всіх процесів у біогеохімічних циклів є потік сонячної енергії та частково енергія геологічних процесів у надрах Землі.

Переміщення хімічних елементів, їх іонів, сполук, речовини у цілому у просторі називається міграцією. Просторове переміщення хімічних елементів (міграція) у межах геосфер є чотирьох основних видів (залежно від форм руху матерії, з якими пов’язане переміщення речовини):

1. Механічна - переміщення хімічних елементів, що відбувається внаслідок дії законів механіки, гідродинаміки, гравітації тощо (гравітаційна міграція - зсуви, обвали, осипи; водна - перенесення часток проточною водою; водно-гравітаційна - селеві потоки; повітряна - вітрове перенесення речовин).

2. Фізико-хімічна - переміщення хімічних елементів, яке відбувається згідно законів фізики, хімії та основними типами взаємодії хімічних елементів (дифузія, розчинення, осаджування, сорбція, десорбція).

3. Біогенна міграція здійснюється у процесі утворення та розкладу живої речовини: в процесі фотосинтезу, дихання, біологічного поглинання мінеральних речовин з ґрунту, біологічної акумуляції хімічних елементів, при відмиранні живої речовини - в процесі її розкладу та мінералізації.

4. Техногенна - відбувається у процесі господарської діяльності людини, внаслідок забруднення навколишнього природного середовища.

Ноосфера. Сучасний стан біосфери В.І.Вернадський назвав ноосферою (від грец. noos - розум). Термін „ноосфера” вперше вжили у 20-х роках ХХ ст. французькі вчені та філософи Едуард Леруа та Тейяр де Шарден. У їх розумінні ноосфера - ідеальна, духовна (мисляча) оболонка Землі, що виникла з появою і розвитком людської свідомості. Значний внесок у розвиток концепції ноосфери вніс В.І.Вернадський.

В.І.Вернадський визначив місце людини у біосфері у трьох наступних положеннях:

1. Людина, як і всі живі організми, як і вся жива речовина, є певною функцією біосфери у певному її просторі - часі.

Б) Людина у всіх її проявах становить певну закономірну частину будови біосфери.

2. „Вибух” наукової думки в ХХ ст. підготовлений усім минулим біосфери і має глибинні корені. Цивілізація „культурного людства” - оскільки воно є формою організації нової геологічної сили, створеної у біосфері, - не може перериватися і знищитися, оскільки це велике природне явище, яке відповідає історично (геологічно) встановленій організованості біосфери.

Ці ідеї покладені в основу закону ноосфери В.І.Вернадського: біосфера неминуче перетвориться в ноосферу, тобто сферу, де людський розум буде відігравати домінуюючу роль в розвитку системи „людина - природа”.

Наведені думки та ідеї В.І.Вернадський виклав та обґрунтував у відомій роботі „Декілька слів про ноосферу” (1944). Він вважав, що головна сила перетворення біосфери у ноосферу в інтересах людства - це поєднання розуму з ідеалами демократії.

Діалектична взаємодія суспільства і біосфери в ході історичного прогресу людства поступово перетворюється на управління спочатку окремими елементами біосфери, потім її частинами і, нарешті, всією біосферою у планетарному масштабі. Проте, без знання законів функціонування і розвитку екосистем неможливий перехід від стихійного впливу людини на біосферу до свідомого управління нею.