Круговорот вещества и превращение энергии. Техносфера. Ноосфера

Учение В.И. Вернадского о биосфере. Живое вещество биосферы, его роль и свойства.

Любой биоценоз взаимодействует со своей средой обитания - биотопом, в результате чего образуется более сложная биологическая система - биогеоценоз. Биотоп включает в свой состав почву (эдафотоп), воду (гидротоп) и воздух с климатическими факторами (климатотоп). Термин биогеоценоз был введен в 1942 году советским ученым В.Н.Сукачевым. Биогеоценоз - это исторически сложившаяся совокупность на известной протяженности земной поверхности однородных природных явлений - атмосферы, горной породы, гидрологических условий, растительного и животного мира, мира микроорганизмов и почвы. Иными словами, биогеоценоз - это исторически сложившаяся совокупность биоценоза и биотопа, основу которой составляет метаболизм ее компонентов, т.е. обмен веществом и энергией. Состав биогеоценоза можно представить в виде следующей схемы.

Параллельно с термином «биогеоценоз» применяется термин «экосистема», который был предложен английским ученым А.Тенсли в 1935 году. Экосистема - это любая совокупность организмов разных видов и неорганических компонентов, в которой возможно осуществление круговорота веществ и превращения энергии. Таким образом, понятие «экосистема» шире, чем понятие «биогеоценоз». В экосистеме все организмы связаны между собой пищевыми связями и образуют пищевые цепи. Пищевая цепь - это линейная последовательность организмов, в которой происходит передача вещества и энергии от одного звена к другому. В зависимости от того, с чего начинается пищевая цепь, они подразделяются на два типа:

1) пастбищные цепи, или цепи выедания, - это пищевые цепи, начинающиеся с продуцентов. Например: капуста → гусеница → синица → ястреб → человек.

2) детритные цепи, или цепи разложения, - это пищевые цепи, начинающиеся с детрита. Например: опавшие листья (детрит) → дождевой червь → плесневые грибы → микроорганизмы → биогены.

Место организма в пищевой цепи относительно ее начала называется трофическим уровнем и обозначается римской цифрой. Трофических уровней столько, сколько пищевых звеньев в цепи питания. Однако, в связи с тем, что почти все организмы являются олиго- или полифагами, то они могут находиться на разных трофических уровнях в одной и той же пищевой цепи в зависимости от характера пищи. Кроме того, они могут быть звеньями разных пищевых цепей одновременно. В результате этого пищевые цепи в чистом виде в природе не встречаются. Переплетаясь между собой, они образуют пищевые сети.

Пищевая сеть - это совокупность пищевых цепей сообщества, взаимосвязанных между собой общими пищевыми звеньями.

Виды с широким спектром питания могут включаться в пищевые цепи на разных трофических уровнях. Только продуценты всегда занимают первый трофический уровень. Используя солнечную энергию и биогены, они образуют органическое вещество, которое содержит энергию в виде энергии химических связей. Это органическое вещество, или биомасса продуцентов, потребляется организмами второго трофического уровня. Однако не вся биомасса предыдущего уровня съедается организмами последующего уровня, потому что исчезли бы ресурсы для развития экосистемы. При переходе от одного трофического уровня к другому происходит трансформация вещества и энергии. На каждом трофическом уровне пастбищной пищевой цепи не вся съеденная биомасса идет на образование биомассы организмов данного уровня. Значительная часть ее затрачивается на обеспечение жизнедеятельности организмов: дыхание, движение, размножение, поддержание температуры тела и т.д. Кроме того, не вся съеденная биомасса усваивается. Непереваренная часть ее в виде экскрементов попадает в окружающую среду. Процент усвояемости зависит от состава пищи и биологических особенностей организмов, он составляет от 12 до 75%. Основная часть ассимилированной биомассы расходуется на поддержание жизнедеятельности организмов и только сравнительно небольшая ее часть идет на построение тела и рост. Другими словами, большая часть вещества и энергии при переходе от одного трофического уровня к другому теряется, потому что к последующему потребителю попадает только та их часть, которая включилась в биомассу предыдущего трофического уровня. По подсчетам установлено, что теряется в среднем около 90%, и только 10% вещества и энергии переходит на каждом этапе пищевой цепи. Например:

Продуценты → консументы I → консументы II → консументы III

1000 кДж → 100 кДж → 10 кДж → 1 кДж

Эта закономерность была сформулирована как «закон 10%». Он гласит, что при переходе от одного звена к другому в пастбищной пищевой цепи передается лишь 10% вещества и энергии, а остальная часть расходуется предыдущим трофическим уровнем на поддержание жизнедеятельности. Если количество вещества или энергии на каждом трофическом уровне изобразить в виде диаграммы и расположить их друг над другом, то получится экологическая пирамида биомассы или энергии. Такая закономерность получила название «правило экологической пирамиды». Этому правилу подчиняется и численность организмов на трофических уровнях, поэтому можно построить экологическую пирамиду чисел.

Таким образом, запас вещества и энергии, накопленный растениями в пастбищных пищевых цепях, быстро расходуется (выедается), поэтому пищевые цепи не могут быть длинными. Обычно они включают 4-5 звеньев, но не более 10-ти. На каждом трофическом уровне пастбищной пищевой цепи образуется отмершее органическое вещество и экскременты - детрит, от которого начинаются детритные цепи, или цепи разложения. В наземных экосистемах процесс разложения детрита включает три этапа:

1. Этап механического разрушения и частичного превращения в сахариды. Он очень короткий - 3-4 года. Его осуществляют редуценты I порядка - макробиота (черви, личинки насекомых, землероющие млекопитающие и др.). На этом этапе потерь энергии практически не происходит.

2. Этап разрушения детрита до гуминовых кислот. Он продолжается 10-15 лет и пока слабо изучен. Его осуществляют редуценты II порядка - мезобиота (грибы, простейшие, микро организмы крупнее 0,1 мм). Гуминовые кислоты - это перегной, полуразрушенное органическое вещество, поэтому при их образовании происходит разрыв части химических связей и выделяется тепловая энергия, которая рассеивается в космическом пространстве.

3. Этап разрушения гуминовых кислот до неорганического вещества - биогенов. Он протекает очень медленно, особенно в нашей умеренной зоне (сотни и тысячи лет) и еще практически не изучен. Его осуществляют редуценты III порядка - микробиота (микроорганизмы меньше 0,1 мм). При разрушении гуминовых кислот происходит разрыв всех химических связей и выделяется большое количество тепловой энергии, которая теряется в космическом пространстве. Образующиеся в результате этого процесса биогены энергии не содержат, в дальнейшем они поглощаются продуцентами и опять вовлекаются в круговорот вещества.

Как видно из вышесказанного, на уровне редуцентов наблюдается задержка жизни, но так быть не должно. В почве есть запас гуминовых кислот, которые образовались очень давно, поэтому задержки жизни не происходит. В разных экосистемах скорость разрушения гуминовых кислот разная. Если она меньше, чем скорость их образования, то плодородие почвы повышается, если же наоборот, то оно снижается. Вот почему в умеренной зоне после разрушения биогеоценоза возможно длительное использование плодородия почвы. В тропиках плодородия почвы достаточно на 2-3 года, а затем она превращается в пустыню. Здесь разрушение гуминовых кислот идет быстро. Этому способствуют высокая температура, влажность и аэрация. В умеренной зоне в почве содержится до 55% углерода, а в тропиках - только до 25%. Вот почему нельзя вырубать тропические леса, чтобы предотвратить опустынивание планеты.

Таким образом, поток энергии, входящий в экосистему, далее разбивается как бы на два основных русла - пастбищное и детритное. В конце каждого из них энергия теряется безвозвратно, потому что растения в процессе фотосинтеза не могут использовать тепловую длинноволновую энергию.

Соотношение количества энергии, проходящей через пастбищные и детритные цепи, в разных типах экосистем разное. Потеря энергии в пищевых цепях может быть восполнена только за счет поступления новых порций. Это осуществляется за счет ассимиляции солнечной энергии растениями. Поэтому в экосистеме не может быть круговорота энергии, аналогично круговороту вещества. Экосистема функционирует только за счет направленного потока энергии - постоянного поступления ее в виде солнечного излучения, либо в виде готового органического вещества.

Биологическая продуктивность экосистем

Биологическая продуктивность - это скорость возобновления биомассы растений, животных и микроорганизмов, входящих в состав экосистемы. Она выражается количеством продукции за единицу времени. Продукция - это количество биомассы, образующейся на единице площади или в единице объема биотопа за определенный промежуток времени. Значит, биологическая продуктивность отражает количество биомассы, возобновляемой на единице площади или в единице объема биотопа за единицу времени. Биомасса - это масса всех живых организмов, обитающих на единице площади или в единице объема биотопа. Она выражается в единицах серого веса или веса сухого органического вещества. Биомасса биоценоза и его биологическая продуктивность могут очень сильно отличаться.

Экосистема – единый естественный комплекс, образованный за большой период времени живыми организмами и средой обитания (атмосфера, почва, водоем, и др.), в котором все компоненты тесно связаны обменом вещества и энергии. Экосистема может стать лишь среда, где имеет место стабильность и четко функционирует внутренний кругооборот вещества и энергии.

Экосистема является основным объектом экологии. По Реймерсу, экосистема - это любое сообщество живых существ и его среда обитания, объединенные в единое функциональное целое, возникающее на основе взаимозависимости и причинно-следственных связей, существующих между отдельными экологическими компонентами.

Экосистема= Биотоп + Биоценоз.

Экосистема не только связана с ограниченным участком земной поверхности, но и применимо ко всем стабильным системам живых и неживых компонентов, где происходит внешний и внутренний кругооборот вещества и энергии. Примеры: капля воды, аквариум, озеро, океан. Как видно из этих примеров их масштабы различны. С научной точки зрения выделяют микроэкосистемы (болотная кочка, альпийская горка на даче);

мезоэкосистема – озеро, болото, конкретный участок леса;

макроэкосистема – континент, океан, коралловый риф.

Первые и вторые можно разделить на чисто водные и наземные. А все они формируют единую планетарную сеть. Причем в одной природной зоне встречается множествопохожих экосистем, которые могут быть слиты в однородные комплексыили разделены другими экосистемами. Для Беларуси: озеро в лесу.

Наземные экосистемы, относящиеся к единой природно-климатической зоне имеют общую структуру доминирующей растительности поэтому могут рассматриваться как единый большой биогеоценоз (биом). Последние являются основными объектами исследования экологической географии. В пределах каждого биома можно встретить множество сходных по приспособлению форм животных и растений, хотя происхождение их различно.

Расположим в иерархическом порядке наземные экосистемы:

Биосфера

Экосистема суши

Климатический пояс

Природно- ландшафтные зоны: Тундра(арктическая или альпийская). Бореаольные хвойные леса, листопадный лес умеренной зоны. Степь той же зоны. Тропические степи и саванны. Чапараль- районы с дождливой зимой и засушливым летом. Пустыня. Полувечнозеленый тропический лес. Вечнозеленый тропический дождевой лес.

Пресноводные и морские экосистемы, в том числе открытый океан или прибрежные бухты, устья рек, соленые марши.. Экосистемы, измененные сельходеятельностью человека: поля, сады огороды и т.д.Они получают доп. вещества и энергию, но должны базироваться на естественных природно-климатических условиях.

Каждая экосистема имеет собственное материально-энергетическое обеспечение и определенную функциональную структуру, основанную на трофических взаимоотношениях.

Принцип экологической комплементарности: никакая функциональная часть экосистемы не может существовать без других дополняющих компонентов. Живые организмы вырабатывают приспособления, скоординированные с условиями абиотической среды.

Экосистемы способны к изменениям, развитию, переходу от простых к сложным формам. Может происходить постепенная замена одних сообществ другими; изменение соотношений между автотрофными и гетеротрофными организмами, изменение биологического разнообразия

Можно отметить интересную закономерность в распределении видов в составе биоценоза: чем меньше масса организма, тем большая численность его особей. Другая закономерность: наибольшим распространением отличается сравнительно небольшое число видов. Пример, 84 % высокотравной растительности Оклахомы принадлежит 9 видам, в то время как остальные 20 видов составляют только 16 %. Это преимущество возникает вследствие узкой специализации по приспособлению к существующему биоценозу. В случае резких изменений среды обитания в первую очередь вымирают узкоспециализированные виды.

Некоторые виды сезонно встречаются в определенных биоценозах, пример стрекоз и комаров.

В.И.Вернадский в биосфере выделял три сферы жизни:

1. Атмосфера - это газообразная оболочка Земли. Она не вся заселена жизнью, ее распространению препятствует ультрафиолетовая радиация. Граница биосферы в атмосфере находится на высоте примерно 25-27 км, где располагается озоновый слой, поглощающий около 99% ультрафиолетовых лучей. Наиболее заселенным является приземный слой атмосферы (1-1,5 км, а в горах до 6 км над уровнем моря).

2. Литосфера - это твердая оболочка Земли. Она также заселена живыми организмами не полностью. Распространение жизни здесь ограничено температурой, которая постепенно возрастает с глубиной и при достижении 100°C вызывает переход воды из жидкого в газообразное состояние. Максимальная глубина, на которой обнаружены живые организмы в литосфере, составляет 4 - 4,5 км. Это и есть граница биосферы в литосфере.

3. Гидросфера - это жидкая оболочка Земли. Она заселена жизнью полностью. Границу биосферы в гидросфере Вернадский проводил ниже океанического дна, потому что дно - это продукт жизнедеятельности живых организмов.

Биосфера представляет собой гигантскую биологическую систему, включающую огромное разнообразие составляющих компонентов, охарактеризовать которые по отдельности крайне трудно. Вернадский предложил все, что входит в состав биосферы, объединить в группы в зависимости от характера происхождения вещества. Он выделял семь групп вещества: 1) живое вещество - это совокупность всех продуцентов, консументов и редуцентов, населяющих биосферу; 2) косное вещество - это совокупность веществ, в образовании которых живые организмы не участвовали, это вещество образовалось до появления жизни на Земле (горные, скалистые породы, вулканические извержения); 3) биогенное вещество - это совокупность веществ, которые образованы самими организмами или являются продуктами их жизнедеятельности (каменный уголь, нефть, известняк, торф и другие полезные ископаемые); 4) биокосное вещество - это вещество, которое представляет собой систему динамического равновесия между живым и косным веществом (почва, кора выветривания); 5)радиоактивное вещество - это совокупность всех изотопных элементов, находящихся в состоянии радиоактивного распада; 6) вещество рассеянных атомов - это совокупность всех элементов, находящихся в атомарном состоянии и не входящих в состав никакого другого вещества; 7) космическое вещество - это совокупность веществ, попадающих в биосферу из космоса и имеющих космическое происхождение (метеориты, космическая пыль).

Вернадский считал, что главную преобразующую роль в биосфере играет живое вещество. Оно выполняет пять основных биосферных функций: 1) энергетическая функция - это способность живых организмов поглощать солнечную энергию, превращать ее в энергию химических связей и передавать по пищевым цепям. Благодаря этой функции постоянно идет восполнение потерь энергии в экосистемах и поддержание жизни в биосфере; 2) газовая функция - это способность живых организмов поддерживать постоянство газового состава биосферы в результате сбалансированности фотосинтеза и дыхания. 3) концентрационная функция - это способность живых организмов накапливать в своем теле определенные элементы окружающей среды, благодаря чему произошло перераспределение элементов в пределах биосферы и образовались полезные ископаемые; 4) окислительно-восстановительная функция - это способность живых организмов в ходе биохимических реакций изменять степень окисления элементов и создавать, таким образом, разнообразие соединений в природе, необходимое для поддержания разнообразия жизни в биосфере; 5) деструктивная функция - это способность живых организмов разлагать отмершее органическое вещество до биогенов, поглощаемых продуцентами, благодаря чему осуществляется круговорот вещества в биосфере, и жизнь может существовать бесконечно долго без поступления вещества из космоса.

Рассмотрим еще одну важную структурную составляющую биоценозов – популяции. Все живые организмы существуют в форме популяции – минимальной самовоспроизводящейся группировки особей одного вида, более или менее изолированная от других подобных группировок, населяющая определенный ареал в течение длительного ряда поколений, образующая собственную генетическую систему и формирующая собственную экологическую нишу. Реальный рост популяции описывается логическим уравнением Ферхюльста-Пирла

dN/dt= rN[(K-N)/K]

коэффициент рождаемости равен произведению показателя специфического роста (биотическим потенциалом), исходной численности популяции и степени сопротивления среды обитания приросту популяции, где К- максимально возможное число особей, способных жить в данной среде.

Дата добавления: 2014-01-13