Структура экосистем

Экологию часто называют наукой о составе, структуре, функционировании и эволюции экосистем природного и искусственного происхождения. Автор термина «экосистема» английский ботаник Тенсли в своем определении отмечал. Он делил все экосистемы земли на наземные, пресноводные и морские. В составе экосистемы выделяют следующие компоненты:

1. Неорганические элементы и соединения, включающиеся в круговороты веществ в качестве исходного сырья, а также входящие в состав живых организмов.

2. Органические соединения, как образованные в экосистеме, так и имеющиеся в составе живых существ (белки, жиры, углероды и прочее).

3. Воздушная, водная и субстратная почвенная среда, включающая все абиотические факторы.

4. Продуценты.

5. Консументы.

6. Редуценты.

Внутри экосистемы, содержащей энергию вещества, создаются автотрофными организмами, и служит пищей для гетеротрофов. Редуценты, разлагая сложные вещества до простых, обеспечивают непрерывность биотического круговорота. Пути передачи энергии от одних организмов к другим называют пищевыми (трофическими) цепями. Место каждого организма в цепи питания носит название трофического уровня. Простая пищевая цепь может выглядеть так: растение-заяц-волк или в более сложном варианте сок растения-тля-божья коровка-паук-насекомоядная птица-хищная птица. В морских экосистемах структура пищевой цепи может быть такой: продуцент-фитопланктон-консумент 1-го порядка-консумент 2-го порядка (рыбы-планктофаги)-консументы 3-го порядка (хищные рыбы)-консумент 4-го порядка (хищная птица). Согласно закону Линдемана действующему главным образом в наземных экосистемах при переходе от одного трофического уровня к другому передается не более 10% энергии. Для человека наиболее выгодны экосистемы с короткими цепями: при выращивании какого-то одного вида могут возникать простые цепи типа: пшеница-человек или фитопланктон-белый толстолобик-человек.

ОСНОВНЫЕ БИОЛОГИСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭКОСИСТЕМАХ

Процесс создания органического вещества из неорганического в экосистемах отражается в их продуктивности, которая тесно связана с потоком энергии, приходящим извне. Продуктивностью можно считать скорость усвоения продуцентами лучистой энергии солнца, направленную на образование органического вещества, которое может быть использовано в качестве пищи консументами. Непрерывное продуцирование биомассы и накопление энергии в виде органических соединений – один из фундаментальных процессов, происходящих в биосфере. Различают первичную продукцию – массу вещества, создаваемую организмами-продуцентами и вторичную – прирост биомассы консументов, оба вида продукции отнесены к единице времени. В величине первичной и вторичной продукции выделяют общую валовую продукцию и чистую продукцию (валовая продукция за вычетом энергетических ресурсов, потраченных живыми организмами на собственную жизнедеятельность). Существуют два основных пути продуцирования органического вещества. Исходным материалом для них служат простые неорганические соединения, постоянно имеющиеся в окружающей среде: вода, углекислый газ, азотистые соединения и др. Наиболее распространенным на планете является фотосинтез у зеленых растений и некоторых бактерий, источником энергии для которого служит солнечная энергия. Фотосинтез проходит почти по всей поверхности Земли и в водоемах в пределах доступности света. Он создает огромный геохимический эффект, что выражается в вовлечении в биотический круговорот не только соединений углерода и воды, но и азота, фосфора, серы и многих металлов (калия, кальция, магния, натрия и других). Второй путь – хемосинтез, который осуществляется бактериями, получающими энергию в результате химического окисления простых неорганических веществ: аммиака в нитрит, нитрита в нитрат, сульфида в серу, двухвалентного железа в трехвалентное. Такие бактерии, живущие в почвах и донных отложениях в океане способны функционировать пари полном отсутствии света. Все организмы на планете, способные к самостоятельному формированию органических веществ из неорганических называют автотрофами, а получающие и использующие в своей жизнедеятельности готовые органические соединения. Однако, многие виды микроорганизмов, бактерий, грибов или высших водорослей могут, зависимости от конкретных погодных условий могут переключаться с автотрофии на гетеротрофию и обратно. Многие организмы способны жить в присутствии или отсутствии кислорода. Все живые организмы, входящие в состав экосистем, образуют общую биомассу – все количество синтезированного органического вещества в единицу времени и выраженную в весовых или энергетических единицах. Чистой продукцией называют ту, которая остается в экосистеме после различных биохимических превращений.

К сообществам с наивысшей продуктивностью относят субтропические и влажные тропические леса, посевы риса и сахарного тростника, а с наименьшей – пустыни, полупустыни и тундра. Продукция вечных льдов и снежников, высокогорий Арктики и Антарктики практически равна нулю. На территории России первичная продуктивность увеличивается с севера на юг – с ростом притока тепла и продолжительности вегетационного сезона. Прирост растительности за год колеблется от 20 центнеров с гектара на побережье и островах северного ледовитого океана до 200 центнеров с гектара в Краснодарском крае и на Черноморском побережье Кавказа.

Питание людей на планете в основном обеспечивается с/х культурами, посевы которых занимают около 10% суши, резервы плодородных земель практически исчерпаны. Половина урожая идет на питание людей, остальное используется для кормления с/х животных, в промышленности и теряется в отходах. В общей сложности человечество потребляет примерно 0.2% валовой первичной продукции земли. Ресурсы планеты, включая продукцию животноводства и объемы промысла на суше и в океане, могут полноценно обеспечить примерно половину потребностей современного населения Земли.

Если бы на Земле существовал бы только синтез органических веществ из неорганических ресурсы планеты достаточно быстро были бы исчерпаны, а вся поверхность Земли была бы заполнена живыми существами. Однако этого не происходит – процессом, обратным продуцированию, является деструкция (распад, разложение) - превращение органических веществ в более простые соединения вплоть до неорганических. С химической точки зрения деструкции подвергаются белки, жиры, углероды, нуклеиновые кислоты и другие компоненты живых организмов. К процессам распада биохимики относят тканевое дыхание, окисление, гниение, и т.д., а в зависимости от потребности в кислороде среди этих процессов выделяют аэробное дыхание, анаэробное дыхание и брожение. В живой природе процесс разложения может идти в несколько этапов:

1. Механическое измельчение отмирающих растительных или животных остатков в результате горения, оттаивания, размораживания и др.

2. Высвобождение растворенных органических веществ.

3. Медленная минерализация труднорастворимых компонентов – прежде всего с помощью микроорганизмов.

В биосфере процессы продуцирования и разложения в целом взаимно уравновешены, превышение продуцирования составляет не более 1%. Однако, в истории Земли наблюдались периоды, когда продукции формировалось больше, и за счет этого избытка и его переработки с живыми организмами возникли все полезные ископаемые (нефть, газ, уголь, торф, известняки и прочее). Организмы-деструкторы (редуценты), составляющие менее 1 % от суммарной биомассы живых организмов перерабатывают массу органического вещества в 10 раз превосходящую ее собственную. Тем самым они обеспечивают непрерывность биотического круговорота, создавая исходное «сырье» для вновь синтезирующейся органики. В результате разложения:

• Возвращаются в круговорот веществ потенциальные элементы питания, находящиеся в мертвой органике.

• Производятся питательные вещества для других организмов.

• Выделяются в среду метаболиты ингибиторного, стимулирующего или регуляторного действия.

• Преобразуются инертные вещества земной поверхности, что приводит к образованию уникального природного ресурса – плодородного почвенного гумуса.

• Поддерживается состав атмосферы, способствующий жизни человека и прочих живых существ.

• Идет процесс биологического самоочищения в природе.

Еще одним важным процессом постоянно идущим в экосистемах и осуществляемым живыми организмами является биологическое накопление. Тем самым реализуется концентрационная функция живого вещества биосферы. Процесс биоконцентрации идет в результате: а) при добавлении в круговорот веществ, идущий в экосистеме различный в экосистеме различных соединений извне. Например, готового органического вещества, выносимого реками в прибрежную зону океана или поллютантов – тяжелых металлов, пестицидов, радионуклидов. б) при избирательном концентрировании тех или иных химических элементов или органики, необходимых для осуществления собственного процесса обмена веществ. Это достаточно часто встречается в морских и пресноводных системах, где многие гидробионты являются осмотрофами – поглощают из воды растворенные вещества.

Показателем биологического накопления является отношение концентрации вещества в организме к его содержанию в окружающей среде. Пример: накопление мышьяка в человеческих волосах.