Особенности экосистем

Динамика экосистем.

Особенности экосистем.

Экологическая сукцессия, гомеостаз.

Для естественной экосистемы характерны три признака:

• совокупность живых и неживых компонентов;

• полный цикл круговорота веществ, начиная с создания ор­ганического вещества и заканчивая его разложением на неорга­нические составляющие;

• сохранение устойчивости в течение определенного времени.

Пространственная разграниченность экосистем в одних слу­чаях может быть выражена относительно отчетливо, в других — весьма условно. Экологу, изучающему структуру экосистем, удобнее пользоваться естественными границами (например, край болота, опушка леса, берег реки или озера). В любом случае вы­деление экосистем правомочно лишь тогда, когда имеет место приток из окружающей среды не только энергии, но и опреде­ленного количества вещества. Поэтому все экологические систе­мы, в совокупности слагающие биосферу Земли, принадлежат к открытым системам, обменивающимся с окружающей их сре­дой веществом и энергией. Их стабильность создается и регули­руется взаимодействием круговорота веществ и потоков энергии. Исходя из общей теории систем, концепция экосистемы как от­крытой системы должна учитывать специфику связанных между собой среды на входе и среды на выходе. Так, для биосферы Зем­ли средой на входе будут энергия, земное и космическое вещест­во, а на выходе — осадочные биогенные породы и уходящие в космос газы.

Все компоненты экосистемы взаимосвязаны, устойчивое со­отношение видов складывалось веками. Поэтому появление лю­бого нового вида, не свойственного данной экосистеме, может нарушить естественное равновесие.

Приведем примеры из экологической истории Австралии. В один из рождественских дней 1859 г. на этот континент были впервые завезены 24 кролика. Естественные хищники, которые питаются этими зверьками, в местной фауне отсутствовали. Ко­лония плодовитых грызунов стала стремительно размножаться. Они съедали всю траву на пастбищах и лишали корма овец, раз­ведение которых было в то время одним из главных занятий ав

стралийских фермеров. 10 кроликов требовали для прокормле­ния столько же травы, сколько 1 овца. Но от овцы получали продукции в 3 раза больше.

Отстрел, ловчие ямы, яды — ничего не помогало. Небывало высокие темпы размножения кроликов в благодатных условиях перекрывали любую гибель этих зверьков от истребительных ме­роприятий. Именно в этот период появилось выражение — «кро­лики съели Австралию». Эти травоядные существенно подорвали кормовую базу скотоводства на континенте и нанесли огромный урон урожаю сельскохозяйственных культур. Правительство анг­лийского доминиона пообещало 22 тыс. фунтов стерлингов тому, кто избавит страну от нашествия прожорливых грызунов.

Было предложено множество способов борьбы, но ни один не был продуктивным. И вот в 1950 г. несколько групп кроликов были заражены миксоматозом — инфекционным вирусным за­болеванием. Больных животных выпустили в нескольких рай­онах Австралии. Первые результаты были получены в долине реки Муррей к середине 1951 г. Площадь очага эпизоотии (одно­временное распространение заболевания среди большого числа животных) составила 2,5 млн км², и кролики погибли почти по­головно. В последующие годы ситуация повторялась во многих штатах Австралии, преимущественно поблизости от рек, влаж­ных лесов и других мест, населенных комарами — основными переносчиками вируса миксоматоза.

Несмотря на то что полного истребления кроликов не про­изошло, их численность никогда уже не достигала прежнего, уг­рожающе высокого уровня. Наука одержала победу.

Принцип экосистемы используется при разработке биологи­ческих систем человека в условиях изоляции от биосферы Земли, например в космических или подводных аппаратах. Основным компонентом такой искусственной экосистемы являются зеленые растения, которые за счет использования энергии света в процес­се фотосинтеза поглощают двуокись углерода и выделяют кисло­род, т.е. осуществляют регенерацию (восстановление) атмосферы. Биомасса растений используется в пищу человеком и другими ге­теротрофными организмами, которые, в свою очередь, могут вхо­дить в пищевой рацион человека. Неиспользованная биомасса растений, продукты жизнедеятельности человека и других компонентов разлагаются микроорганизмами до воды, двуокиси уг­лерода и минеральных веществ, которые вновь используются растениями. В настоящее время созданы экспериментальные экосистемы, включающие человека, одноклеточные водоросли, высшие растения (капуста, морковь, свекла, томат, пшеница и др.), микроорганизмы-минерализаторы. За счет регенерации в таких экосистемах полностью обеспечивается потребность чело­века в кислороде, воде и до 20 % — в пище.

6.3. Круговорот веществ в экосистемах

Все живые организмы в процессе жизнедеятельности нахо­дятся в постоянном и активном взаимодействии с окружающей средой. Суть этого взаимодействия заключается в обмене веще­ством и энергией. Жизнедеятельность экосистемы и круговорот веществ в ней возможны только при условии постоянного при­тока энергии. Основной источник энергии на Земле — солнеч­ное излучение. Энергия Солнца переводится фотосинтезирую- щими организмами в энергию химических связей органических соединений. Передача энергии но пищевым цепям подчиняется второму закону термодинамики: преобразование одного вида энергии в другой происходит с потерей части энергии. При этом ее перераспределение подчиняется строгой закономерности: энер­гия, получаемая экосистемой и усваиваемая продуцентами, рас­сеивается или вместе с их биомассой необратимо передается консументам первого, второго и других порядков, а затем реду­центам с падением потока энергии на каждом трофическом уровне. В связи с этим круговорота энергии не бывает.

В отличие от энергии, которая используется в экосистеме только один раз, вещества используются многократно из-за того, что их потребление и превращение происходит по кругу. Этот круговорот осуществляется живыми организмами экосистемы (продуцентами, консументами, редуцентами) и называется био­логическим круговоротом веществ. Под биологическим кругово­ротом понимается поступление химических элементов из почвы и атмосферы в живые организмы, в которых поступающие элементы превращаются в новые сложные соединения, и возвраще­ние их в почву и атмосферу в процессе жизнедеятельности.

Экологические системы суши и Мирового океана связывают и перераспределяют солнечную энергию, углерод атмосферы, влагу, кислород, водород, фосфор, азот, серу, кальций и другие элементы. Жизнедеятельностью растительных организмов (про­дуцентов) и их взаимодействиями с животными (консументами), микроорганизмами (редуцентами) и неживой природой обеспе­чивается механизм накопления и перераспределения солнечной энергии, поступающей на Землю.

Важнейшим аспектом существования жизни на Земле явля­ются круговороты (биогеохимические циклы), в которые вовле­чены вода и основные биогенные химические элементы — С, Н, О, N, Р, S, Fe, Mg, Mo, Mn, Cu, Zn, Ca, Na, К и др. Все циклы состоят из двух фаз: органической (во время которой вещество или элемент находится в составе живых организмов) и неоргани­ческой. Последовательные переходы вещества из одной фазы в другую совершаются бесчисленное количество раз. Так, напри­мер, ежегодно проходит через органическую фазу и возвращает­ся в неорганическую 1/7 часть всего углекислого газа и 1/4500 часть кислорода атмосферы; подсчитано, что вся вода оборачи­вается за 2 млн лет.

В качестве примера рассмотрим круговорот азота — одного из важнейших химических элементов живых организмов. Азот является строительным материалом для белков, нуклеиновых кислот, компонентом АТФ, хлорофилла, гемоглобина и т.д.

Азот распространен в биосфере крайне неравномерно. В поч­ве его содержится всего от 0,02 до 0,5 %, и то лишь благодаря деятельности микроорганизмов, некоторых растений и разложе­нию органических веществ. В то же время миллионы тонн азота в атмосфере буквально давят на поверхность Земли. Над каждым гектаром почвы, образно говоря, «висит» до 80 тыс. т этого эле­мента. Несмотря на то что азота в атмосфере очень много (78 %), большинство растений не в состоянии ассимилировать его в мо­лекулярном состоянии. «Элементом жизни» азот становится только в химических соединениях — легкорастворимых азотно­кислых и аммиачных солях. Однако связанного (хотя бы в про­стые оксиды) азота в воздухе нет.

Исключением является поступление азота в атмосферу в ре­зультате выбросов автомобильного транспорта, тепловых элек­тростанций, котельных, промышленных предприятий. При сжи­гании ископаемого топлива (нефть, уголь, газ) в атмосферу Земли происходит выброс оксидов азота (N₂0, NO2), которые за­грязняют окружающую среду.

Напрямую азот атмосферы способны использовать лишь не­многие прокариотические (доядерные) организмы — некоторые виды бактерий и цианобактерий. Высшие растения могут ис­пользовать азот только в результате симбиотических взаимоот­ношений с азотфиксирующими прокариотическими организма­ми — клубеньковыми бактериями, которые поселяются в тканях корней растений из семейства бобовых, таких как арахис, соя, чечевица, фасоль, люцерна, клевер, люпин и др. Фиксируя атмо­сферный азот, они снабжают растение-хозяин доступными для него соединениями азота в виде нитратов и нитритов.

Мертвые азотсодержащие органические вещества (белки, нуклеиновые кислоты, мочевина) разлагаются аммонифицирую­щими бактериями до аммиака. Он легко растворяется в воде. Часть его может поглощаться непосредственно растениями, часть вымывается из почвы, а оставшийся аммиак подвергается дейст­вию специализированных бактерий в результате процесса нитри­фикации — окисления азотсодержащих соединений. Корни расте­ний получают нитриты и нитраты, образующиеся в ходе реакции

В природе осуществляется и обратный процесс — восста­новление нитритов и нитратов до газообразных азотистых про­дуктов — денитрификация. В результате этого процесса денитри­фицирующие бактерии восстанавливают ион N0₃^_ до N2. Денитрификация происходит в несколько этапов:

Таким образом, в ходе денитрификации связанный азот уда­ляется из почвы и воды и в виде газообразного азота возвращается в атмосферу. Денитрификация замыкает цикл азота и препятству­ет накоплению его оксидов, которые в высоких концентрациях токсичны.

Круговорот веществ никогда не бывает полностью замкну­тым. Часть органических и неорганических веществ выносится за пределы экосистемы, и в то же время их запасы могут попол­няться за счет притока извне. В отдельных случаях степень по­вторяющегося воспроизводства некоторых циклов круговорота веществ достигает 90—98 %. Неполная замкнутость циклов в масштабах геологического времени приводит к накопле­нию элементов в различных природных сферах Земли. Так накапливаются полезные ископаемые — уголь, нефть, газ, из­вестняки и т.п.

Дата добавления: 2014-01-03