Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Экология_final_edition разд.doc
Скачиваний:
4
Добавлен:
16.12.2018
Размер:
1.43 Mб
Скачать

Вопрос 3 Экологическая система; состав, структура, перенос энергии и веществ в экосистеме

Ландшафты земного шара составляют большое разнообразие растительных группировок. Эти растительные формации (фитоценозы) тем заметнее, чем больше их биомасса, то есть совокупность веществ, созданных фотосинтезом. По общему виду различают: лес, степи, с/х. угодья, пустыни, растительность океанов и перстных вод. Если растительные группировки вместе с группировками обитающих в них животных, грибов, бактерий, то это будет совокупность, называемые БИОМАМИ (биом тундры, биом пустыни, биом тайги).

Совокупность всех организмов, составляющих биом, а также различных отношений и всех их взаимодействий со средой составляет экологическую систему. Экосистемой называются функциональная система, включающая в себя сообщества организмов и среду их обитания. В ней все члены биоценоза соединены между собой и окружающей их абиотической средой различными типами связями. Эти связи являются своеобразными каналами, по которым циркулируют массы, энергии, информации, и именно способом вещественно - энергетического обмена является основным признаком экосистемы.

Для обозначения подобных образований академика В.Н. Сукачева предложен и общепринят термин биогеоценоз (от греческих “ биос ” - жизнь, “ гео ” - земля, “ ценоз “ - общий).

Биоценоз - сложный природный комплекс живых существ на определённой протяженности земной поверхности, взаимодействующий с неорганической средой и находящийся материально - энергетической зависимости от неё. По своей сущности биогеоценоз - это динамическая уравновешенная система, сложившаяся в результате длительной и глубокой адаптации составных копанентов, в которой биохимический круговорот веществ.

Термин “экологическая системе” и “ биоценоз ” в общем случае не является синонимами. Понятие экологическая система шире, так как обозначают любую совокупность организмов и окружающей среды. В качестве экосистемы можно рассматривать, например, террариум, пилотируемый космический корабль, сооружения биохимической отчистки сточных вод и др.

Термин биогеоценоз применен только к локализованным природным образованиям на земле. Примерами биогеоценозов могут быть руд, лес, луг и т. д. Поэтому любой биогеоценоз можно назвать экосистемой, но не любую экосистему - биогеоценозом.

В экосистеме живые организмы (биотическое сообщество) взаимодействуют с неживым окружением (абиотической средой) таким образом, что поток энергии в экосистеме создан четко определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями.

Состав и функциональная структура экосистемы.

Каждая экосистема имеет собственное материально - энергетическое хозяйство и определённую функциональную структуру (рис. 3.8). По способу питания различают следующие группы организмов - автотрофы и гетеротрофы.

перенос вещества; перенос энергии; сток энергии в среде

Рис 3.8

Автотрофы ( сампотические ) - организмы, образующие органическое вещество своего тела из неорганических веществ - диоксида углерода и воды - посредством процессов фотосинтеза и хемосинтеза. Фотосинтез осуществляет фотоавтотрофы - все хлорофиллоносные ( зеленые ) растения и микроорганизмы. Хемосинтез наблюдается у некоторых хемоавтотрофных бактерий, которые используют в качестве источника энергии окисления водорода, серы, сероводорода, аммиака, железа.

Автотрофы составляют основную массу всех живых существ и полностью отвечают за образование всего нового органического вещества в любой экосистеме, т. е. является производителями продукции - продуцентами экосистем.

Гетеротрофы ( питающиеся другими ) - организмы, потребляющие готовое органическое вещество других организмов и продуктов их жизнедеятельности. Это все животные, грибы и большая часть бактерий. Гетеротрофы выступают как потребители и деструкторы органических веществ. В зависимости от источников питания и участия в деструкции они также подразделяются на несколько категорий: консументы, детритофаги и редуценты.

Консументы - потребители органического вещества живых организмов. К их числу относятся:

  1. Растительноядные животные ( фитофаги ), питающиеся живыми растениями ( тля, кузнечик, гусь, овца, олень, слон ).

  2. Плотоядные животные ( зоофаги ), поедающие других животных.

  3. Паразиты, живущие за счет веществ организма - хозяина.

  4. Симбиотрофы - бактерии, грибы, простейшие, которые, питаясь соками или выделениями организм: хозяина, выполняет вместе с этим и жизненно важные для него трофические функции.

Детрофаги, или сапрофаги. - организмы, питающиеся мертвым органическим веществом - остатками растений и животных. Это гнилостные различные бактерии, грибы, черви, личинки, насекомые, жуки - копрофаги и другие животные - все они выполняют функцию очищения экосистем. Детрофаги участвуют в образовании почвы, торфа, донных отложений водоемов.

Редуценты - бактерии и низшие грибызавешают деструктивную работу консументов и сапрофагов, доводя разложение органики до ее полной минерализации и возвращая в среду экосистемы последние порции двуокиси углерода, воды и минеральных элементов.

Все названные группы организмов в любой экосистеме тесно взаимодействую между собой, согласуя потоки веществ и энергии. Их совместное функционирование не только поддерживает структуру и целостность биоценоза, но и оказывает существенное влияние на самоочищение экосистемы.

О термодинамике динамических систем

Любая живая система потребляет энергию и расходует ее в виде работы и теплоты. Этот факт послужил становлению термодинамики как науки и позволил приписать организму свойства тепловой машины, подчиняющееся началам термодинамики. Первое из них представляет собой закон сохранения энергии. Приложимость его к живым системам надежно доказана, но не выявляет никакого отличия их от неживых систем. Второе начло, называемое законом энтропии, указывает, в каком направлении должны протекать естественные самопроизвольные процессы. Согласно этому закону в изолированных системах энтропия - мера необратимости превращение энергии и одновременно мера структурной упорядоченности - не может уменьшаться, она либо возрастает, либо, в крайнем случае, не изменяется. Однако при некоторых биологических процессах, например, при самосборке субклеточных структур или при эмбриональном развитии организма структурная упорядоченность возрастает. Следовательно, неупорядоченность, энтротопия уменьшается. Но организм - отрытая система. Противоречие закону энтротопии исчезает, если рассматривать в качестве единой системы организм вместе с окружающей средой. В данном случае физика должна принять экологическую модель.

Все реальные системы являются открытыми, обменивающиеся с окружающей средой веществом и энергией. Все разнообразие проявлений жизни сопровождается превращениями энергии. Сущность жизни и состоит в непрерывной последовательности, таких изменений, как рост, самовоспроизведение и синтез сложных химических соединений. Без переноса энергии, сопровождающего эти изменения, не было бы ни жизни, ни экологической системы.

Большая часть энергии при каждом переходе теряется, переходя в тепло. Каждый вид в природе имеет свою экологическую нишу, определяющую не только его положение в пространстве, но не выполняемые функции.

Основной процесс в экосистеме.

В подавляющем большинстве экосистем осуществляется фундаментальный химический процесс, составляющий основу биотического круговорота. Из атмосферного углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза в растениях образуется органическое вещество и выделяется кислород, а в обратной реакции - окислении и распаде органических веществ - потребляется кислород и вновь образуется углекислый газ и вода.

Здесь ∆G1 - энергия солнечного света, потребленная в процессе фотосинтеза; ∆Hе - энергия окисления органических веществ ( дыхания ), в конечном счете выделение в виде теплоты. (СН2О)n - синтезируемое и распадающееся органическое вещество представлено в реакции углевода. Это может быть глюкоза (n = 6) или самое распространенное органическое вещество биосферы целлюлоза ( n > 1800 ), но в реальном процессе - множество различных органических веществ, включающих и другие химические элементы. Их окисление дает энергию для различных физиологических и биохимических процессов. Количество поглощенной и выделенной энергии в описываемой реакции равна: ∆Gi = ∆He ~ 478 кДж/моль. Общий множитель n определяет масштаб преобразований вещества и энергии в экосистеме. Прямая реакция полностью, а обратная на 80 - 90 % обеспечиваются растениями. Остальное количество органического вещества потребляется гетеротрофными организмами - животными, грибами, бактериями - и расходуется в процессе их дыхания.

Данное уравнение описывает идеальный случай для экосистемы, замкнутый по веществу, для биосферы в целом. В реальных локальных экосистемах равенство прямой и обратной реакции, как правило, нарушено из - за обмена участниками реакции ( переноса воды, газов и органики ) с другими системами. В экосистемах больших глубин, пещер, под землей, где нет света и не может осуществляться фотосинтез, органическое вещество поставляется либо местными хемоавтотрофами, либо поступает из других систем.

Принципиальное различие между потоками вещества и энергии в экосистеме заключается в том, что биогенные элементы, составляющие органическое вещество, могут многократно участвовать в круговороте веществ, тогда как поток энергии одноправлен и необратим. Каждая порция энергии используется только однократно. В соответствии со вторым началом термодинамики на каждом этапе переноса и трансформации энергоносителей обязательна, происходит сток части энергии: значительная ее часть неизбежно теряется, рассеивается в виде теплоты.

Независимо от степени сложности экосистемы характеризуется:

  • видовым составом

  • численностью организмов

  • биомассой

  • соотношение отдельных трофических групп

  • интенсивность процессов продуцирования и деструкции ( разложения ) органического вещества

Вернадский В.И. считал что “биосфера - это оболочка земли, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба”.

Вернадский выделял в биосфере ряд разных, но геологически взаимных типов веществ:

  1. живое вещество - совокупность тел живых организмов населяющих Землю в независимости от их систематической принадлежности, Он считал, что это самая могучая геохимическая сила планеты.

  2. биогенное вещество - химическое соединение, возникшие в результате жизнедеятельности организмов: горючие ископаемые, известняки, те вещества, создаваемые и перерабатываемые живыми организмами.

  3. косное вещество - образуется без участия живых организмов ( изверженные горные породы и т. д. )

  4. биокостное вещество - создается одновременно и живым организмами и процессами неорганической природы.

  5. радиоактивные вещества.

  6. вещество космического происхождения

Круговорот веществ в природе - это процесс превращения и перемещение веществ в природе, имеющие более или менее циклических реакций характер.

Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: геологический

( большой ), биотический ( малый ).

Большой круговорот длится сотни тысяч или млн. лет. Он заключается в том, что горные породы разрушаются, выветриваются, сносятся в океан, где образует простые напластования, т. е. крупные геотектонические изменения. Процесс опускания материков, поднятие дна, перемещение морей и океанов приводя к тому, что эти напластования снова возвращаются на сушу, и процесс начинается вновь.

Под биотическим круговоротом понимается поступление элементов из почвы, воды и атмосферы в живые организмы; превращение организмов поступающих элементов новые сложные соединения и возращение их в почву, воду и атмосферу в процессе жизнедеятельности или с отмершими организмами, входящие в состав биогеоценозов.

Различают большой круг биотического обмена ( биосферный ) и малый

( биогеоценотический ). Большой круг биотического обмена - это планетарный процесс закономерного циклического, неравномерного во времени и пространстве перераспределения веществ, многократно входящих в не прерывно обновляющиеся экосистемы. Большой круг наиболее ярко проявляется в круговороте воды и циркуляции атмосферы.

Малый биотический круг развивается на основе большого, происходит на уровне экосистемы, приводит к тому, что питательные вещества, аккумулирующиеся внутри растений, расходуются на построение тела, жизненные процессы, как их самих, так и организмов консументов. Продукты распада вновь разлагаются до минимальных компонентов и вновь вовлекаются в поток веществ. Таким образом, компонент непрерывно циркулирует, переходя из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. К основным относят биогеохимические циклы кислорода, углерода , фосфора, серы и др. биогенные ( жизненно важные ) компоненты; железа, мания, кальция, натрия, калия, марганца, молибдена, цинка, меди и др. При этом часть из них исключается из биологического круговорота и с помощью биохимических процессов закрепляется в осадочных отложениях или переносится в океан. Степень вещественной замкнутости мала биотического круга весьма значительна. Например, по фосфору глобально оно составляет 90 %.

В живое вещество биосферы входит в основном кислород, углерод, азот, водород. Источником биогеохимической энергии является солнечная энергия.

Благодаря фотосинтезу около 2 000 000 лет назад началось накопление в атмосфере свободного кислорода, потом образовался озоновый экран в атмосфере, защищающий все живое от жесткого излучения.

Фотосинтез и дыхание растений поддерживают современный газовый состав атмосферы. Нормальные, т. е. не нарушенные биогеохимические циклы не являются замкнутыми, хотя степень обратимости идентичных циклов важных биогенных компонентов составляет 90 - 95%.

Углерод - 10-7 - 10-8 его запасов, находящихся в обращении в современной биосфере, сбрасывают биогенный циклы. За счет неполной обратимости цикла углерода накопились огромные запасы в виде известняков, битумов, угля, нефти, газов ( 1016 - 1017 тонн ).

Качественно новый этап развития биосферы наступил в современную эпоху, когда деятельность человека стала соизмерима с геологическим процессом. Результаты отрицательного человека на природу благодаря глобальным круговоротам веществ ощущается во всех уголках планеты.