Додаткова інформація

Принципи функціонування екосистем

Додаткова інформація

Органічні речовини, що утворилися в процесі фотосинтезу, використовуються самими рослинами або організмами, які їх поїдають. У процесі дихання відбувається вивільнення енергії, яка забезпечує життєдіяльність. Для цього більша частина організмів використовує кисень. В результаті дихання утворюється СО₂ та Н₂О, які є необхідними речовинами для процесу фотосинтезу. Частина поживних речовин витрачається на побудову тканин самих організмів. Єтакож організми, що синтезують органічну речовину із СО₂ і Н₂О, але використовують для цього не сонячну, а хімічну енергію, яка виділяється під час окислення деяких сполук (заліза, сірководню, метану, аміаку) – вони дістали назву хемотрофи.

Речовина та енергія складають єдине ціле і переходять в екосистемі від одних організмів до інших. Але є одна суттєва відмінність. Речовина може безкінечно довго здійснювати кругообіг, включаючись в процесі фотосинтезу в органічні сполуки та повертаючись в грунт після смерті організмів. А більша частина енергії поступово губиться у вигляді тепла. Тому екосистема постійно потребує притоку енергії ззовні у вигляді органічних сполук, в яких “законсервоване” сонячне світло (рис. 2.5).

Цілісність і стійкість екосистем забезпечується кругообігом хімічних елементів, використанням сонячної енергії і передачею енергії ланцюгами живлення.

За Б.Небелом перший принцип функціонування екосистем полягає у тому, що одержання ресурсів і позбавлення відходів відбувається в рамках кругообігу всіх хімічних елементів у вигляді біогеохімічних циклів.

Біогеохімічні цикли – це циклічне поетапне перетворення речовин та зміна потоків енергії з просторовим масоперенесенням, яке здійснюється завдяки сумісній абіотичній і біотичній трансформації речовин.

Міграція речовин у межах геосфер поділяється на повітряну, водну, біогенну, техногенну, механічну. Час перетворення речовин залежить від багатьох факторів і суттєво відрізняється для різних речовин.

Залежно від агрегатного стану, хімічної природи сполук окремого хімічного еле­мента, їх розчинності, здатності накопичуватися в організмі, поглинатися ґрунтовим вбирним комплексом тощо, переважає той чи інший тип міграції, тобто кожний гео­хімічний цикл має свої особливості.

Кругообіг Нітрогену. Нітроген (азот) у вигляді газоподібних сполук (N₂, NН₃, N₂О, NO, NO₂) знаходиться в повітрі, в живих організмах переважно у вигляді білків, нуклеїно­вих кислот, ферментів; у ґрунті – у вигляді солей амонію, нітратів і нітритів; тут завдяки численним мікроорганізмам – азотфіксаторам, нітрифіксаторам, денітрифікаторам відбуваються найрізноманітніші біохімічні процеси. В біосфері фіксація нітрогену з повітря відбувається переважно біологічним шляхом і лише незначна кількість (менш як 35 мг/м³) – у результаті фізикохімічних процесів в атмосфері (електричні розряди та фото­хімічні процеси).

Рис.2.5. Блок-схема функціонування екосистем

(основні структурні компоненти екосистеми, пов’язанні енергетичними потоками та кругообігом речовин)

Азот вступає в кругообіг виключно через кореневу систему у вигляді нітратів чи солей амонію або за допомогою симбіотичного зв'язку через бактерії, гриби та синьозелені водорості, які здатні фіксувати атмосферний азот.

Існує і промислова фіксація азоту: одержання аміаку і подальше його викорис­тання для добування нітратної кислоти та її солей.

Органічні сполуки, що містять нітроген, при розщепленні в організмі виділяють­ся у вигляді аміаку чи солей амонію в природне середовище. В природі поклади КNО₃ (чилійської селітри) є лише в Чилі, де практично не буває дощів.

Кругообіг Карбону (вуглецю). В атмосфері міститься вуглекислий газ (об'ємна частка стано­вить 0,03%), оксид карбону, як малі компоненти – вуглеводні, зокрема метан, та інші органічні сполуки. Карбон – основний хімічний елемент живої речовини, оскіль­ки входить до складу білків, жирів, вуглеводів та інших речовин. При окисленні в процесі метаболізму органічних сполук утворюється оксид карбону, що підтри­мує в крові сталу кислотність (карбонатна буферна система).

Сполуки карбону (у вигляді горючих корисних копалин і карбонатів, а також алотропних форм – алмазу і графіту) знаходяться в літосфері. У воді – карбонати і гідрокарбонати переважно кальцію і магнію, розчинений СО₂, на дні – карбонатні мули, утворені хімічним шляхом чи внаслідок накопичення мертвих решток організ­мів, що будують своє тіло з карбонату кальцію.

Сполуки карбону у ґрунті – це переважно органічні речовини – рештки організ­мів, продукти їх метаболізму та СО₂, що виділяється під час дихання організмів і розкладання органічних речовин в аеробних умовах. Оксид карбону рослини поглинають листям і кореневою системою для синтезу органічних сполук.

Людська діяльність значно впливає на кругообіг цього біофільного хімічного еле­мента. Сполуки карбону у вигляді оксидів потрапляють в атмосферу при спалюванні горючих корисних копалин, що їх запасли біосфери; вуглеводні – під час нафто­видобутку та нафтопереробки; численні органічні сполуки утворюються в процесах органічного синтезу.

Кругообіг Фосфору. Особливістю кругообігу фосфору є те, що він має лише одну газоподібну сполуку – фосфін РН₃, який утворюється під час гниття органічних решток. Більшість фосфатів не розчинні у воді. Мінералами є апатит Са₅Х(Р0₄)₃, де X – F^–, Сl^–, ОН^– і фосфорит Са₃(РО₄)₂; у ґрунті фосфор входить до складу решток мертвих організмів та їхніх екскрементів. Поширеним фосфоровмісним добривом є гуано – послід морських птахів.

Для підвищення родючості ґрунтів на поля вносить добрива, зокрема й фосфорні. Змивання їх у водойми спричинює евтрофікацію водойм (підвищення біологічної продуктивності екосистеми внаслідок нагромадження біогенних елементів, головним чином нітрогену і фосфору). Сполуки фосфору накопичуються на дні водойм і в прибережній зоні морів та океанів у вигляді решток живих організмів і фосфатів. На суходіл потрапляють з рибою та під час видобування корисних копалин. Кислотні дощі прискорюють міграцію фосфору завдяки розчиненню фосфатів.

Кругообіг Сульфуру (лат. sulfphur - сірка).Цей хімічний елемент має газоподібні сполуки: гідрогеносульфур та оксиди сульфуру (IV) і (VI). Більшість сульфатів розчинні у воді, тоді як сульфіди (крім лужних металів і амонію) малорозчинні[8]. Сульфур у складі органічних сполук міститься в живих організмах, горючих корисних копалинах. В ґрунті діють численні мікроорганізми, що перетворюють сульфіди на сульфати и сірку і навпаки. Під час гниття органічних решток виділяється токсичний гідрогеносульфур (сірководень, Н₂S), що отруює водні організми; з іншого боку, Н₂S може осаджувати катіони важких металів у вигляді малорозчинних сульфідів, сприяючи самоочищенню водойм.

Великі кількості оксидів сульфуру утворюються при спалюванні сміття, добуванні металів із сульфідів, у виробництві та використанні сульфатної кислоти.

У літосфері існує самородна сірка, малорозчинні у воді сульфіди багатьох металів у вигляді мінералів: свинцевий блиск РbS, пірит FeS₂, цинкова обманка ZnS, кіновар НgS, реальгар Аg₂S; розчинні сульфати: Nа₂SО₄ • 10Н₂О – мірабіліт, СаSО₄ • 2Н₂О – гіпс, СаSО₄ – ангідрит.

Значні кількості сульфат-іонів містяться в природних водах, особливо мінералізованих; деякі мінеральні води збагачені гідрогеносульфуром (сірководнем). Сірководневі зони існують і в морях[9] та океанах – це мертві зони, хоча гідрогеносульфур і є джерелом енергії для хемосинтезуючих організмів.

Згідно з другим принципом – екосистеми існують за рахунок сонячної енергії, яка не забруднює середовище, практично вічна і кількість якої відносно стала й завжди надлишкова.

Російському вченому, основоположнику геліобіології, О.Чижевському належать такі слова: “Люди і всі тварі земні є “дітьми Сонця” – “творіннями” складного світового процесу, що має свою історію, в якому наше Сонце займає не випадкове, а закономірне місце разом з іншими генераторами космічних сил....Велич полярник сяйв, цвітіння троянди, творча робота, думка – все це прояв променистої енергії Сонця”.

Сонце – це природний термоядерний реактор, у якому з водню синтезуються ядра гелію і виділяється величезна кількість енергії. Всього на Землю надходить 10,5 • 10⁶ кДж/м² на рік променистої енергії (близько 30% втрачається в атмосфері, частина відбивається від хмар і 67% сонячної енергії потрапляє до поверхні).

Сонячна стала, тобто кількість сонячної енергії, яка надходить до оболонки біосфери, становить 8,36 Дж/см² • хв. В межах України сумарна сонячна енергія на одиницю площі становить 397– 405 кДж/см² у північних районах і 522– 531 кДж/см² – на західному узбережжі Криму, а радіаційний баланс, що визначається відношенням відбитої радіації до сумарної – відповідно 175 і 263 кДж/см².

Енергія, потік якої надходить в біосферу, розподіляється так:

• 30% відбивається у космічний простір;

• 46% переходить у теплову енергію при переопроміненні Землею;

• 23% витрачається на кругообіг води;

• 0,2% поглинає повітря на забезпечення численних процесів;

• 0,8% використовується рослинами в процесі фотосинтезу.

Сонячна енергія запасається продуцентами (зеленими рослинами) у формі енергії хімічних зв'язків органічної речовини і передається по ланцюгах живлення: проду­цент – консумент – редуцент. 3 кожного попереднього трофічного рівня на вищий передається всього близько 10% енергії, зворотний потік дуже малий і досягає 0,5%.

Органічна речовина, синтезована рослиною, може по-різному включатися в різні процеси:

§ запасається у вигляді крохмалю чи олії;

§ є джерелом енергії для всіх клітинних процесів, забезпечує ріст, цвітіння, розмноження рослин;

§ розкладається під час гниття чи горіння до вуглекислого газу, води, мінеральних речовин тощо з виділенням кінетичної енергії (теплової чи світлової).

Оцінкою ефективності біосистеми є розподіл енергії на частину, що перетворюється на іншу органічну речовину, доступну для вищого трофічного рівня у вигляді їжі (Р), і частину, що окислюється та втрачається у вигляді теплоти і дихання (R). Відношення R/Р називають мірою екологічного обороту Шредінгера, а відношення R/В (де В – сумарна біомаса), мірою термодинамічної врівноваженості Шредінгера.

Швидкість утворення біомаси рослинами на одиницю площі характеризує первинну продукцію, яку подають в одиницях енергії (Е/ST, Дж/м² • добу) чи маси (m/SТ, кг/га • рік), де Т – час.

На світлі в процесі фотосинтезу відбувається утворення потенційної енергії (R/Р < 1), в темряві посилюється дихання і R/Р > 1.

Ефективність засвоєння їжі у різних тварин різна:

• у тих, що живляться листям, – 10– 20%;

• у тих, хто споживає насіння і плоди, – 80%;

• у хижаків – 60– 90%.

Енергія, отримана твариною з їжею, використовується так:

• запасається у вигляді потенційної енергії органічних речовин;

• витрачається у формі кінетичної енергії під час виконання роботи органами,
дихання, руху;

• виділяється з організму у вигляді теплоти та продуктів метаболізму;

• витрачається на ріст і оновлення тканин як будівельний матеріал.

Детритофаги і редуценти живляться органічними рештками як продуцентів, так і консументів. У процесі їх життєдіяльності утворюються низькоенергетичні речови­ни: СО₂, Н₂О, нітрати, фосфати тощо або досить прості органічні речовини – молочна кислота (продукт життєдіяльності молочнокислих бактерій) та ін.

3 урахуванням спеціалізації типів живлення тварин поділяють на три групи:

• стенофаги, що споживають лише один вид їжі (колорадський жук живиться рослинами роду пасльонових);

• олігофаги, що використовують 2–3 види їжі (зайці, лисиці);

• поліфаги, що вживають різноманітну їжу (таргани, ведмеді).

Перетравлюваність їжі у тварин різна: у копитних – 40– 70%, у дрібних гризунів – 90 – 95%, у нутрії – до 99%. 3 метою підвищення ефективності засвоєння кормів у тваринному світі поширена копрофагія (поїдання екскрементів жуками-гнояками) та автокопрофагія (поїдання власних м'яких екскрементів, що містять багато білків та біологічно активних речовин, наприклад, кролями).

Будь-яку популяцію живих організмів можна розглядати як біомасу, яка збільшується завдяки росту і розмноженню і зменшується внаслідок загибелі з різних причин. У стійких екосистемах біомаса певного трофічного рівня мало змінюється. Оскільки рослини засвоюють лише близько 1 % сонячної енергії, що на них потрапляє, і яку вони запасають у вигляді хімічної енергії зв'язку між атомами в органічних сполуках, а з попереднього рівня на наступили подається лише 10% накопиченої енергії, то зрозумілий і III принцип функціонування екосистем.

Третій принцип – чим більша біомаса популяції, тим нижчим має бути трофічний рівень, який вона займає.

Людина порушує всі три принципи функціонування екосистем:

• змінюючи кругообіг хімічних елементів;

• використовуючи як джерело енергії корисні копалини і забруднюючи довкілля продуктами їх згоряння;

• збільшуючи чисельність людської популяції, справляючи тим самим тиск на природне середовище і порушуючи природну рівновагу між компонентами біосфери.

Існує група організмів, які споживають готові органічні сполуки у вигляді мертвих решток (опале листя, коріння, сухі гілочки дерев – детрит), або трупів та продуктів життєдіяльності тварин (гриби, бактерії, найпростіші, черви, жуки-гнойовики, раки). Це – детритофаги і редуценти. Завдяки їхній діяльності кругообіг речовин завершується і знов утворюються форми сполук і хімічних елементів, доступні для живлення рослин.

Дата добавления: 2014-12-07