Процессы, происходящие внутри экосистемы

Экосистемы.

Биосфера - глобальная экосистема Земли, состоящая из огромного числа экосистем, среди которых выделяют:

· микроэкосистемы (напр., ствол гниющего дерева и т.п.);

· мезоэкосистемы (лес, пруд и т.п.);

· макроэкосистема (океан, континент и т.п.).

Для экосистем необходимо осуществление процессов самовосстановления и саморегуляции совокупности составляющих ее средообразующих компонентов и элементов. Под САМОРЕГУЛЯЦИЕЙ понимают способность природной экосистемы к восстановлению внутренних свойств и структур после какого-либо природного или антропогенного воздействия, изменившего эти свойства и структуры. Саморегуляция основана на принципе обратной связи отдельных составляющих природную систему подсистем и экологических компонентов. Количество связей М зависит от количества составляющих экосистему компонентов N и может быть определено по формуле:

М = N (N - 1)

(напр., при N=1000, М=500000).

Самые необходимые для человека функции экосистем:

· производство пищи;

· производство кислорода;

· производство незаменимых ресурсов биологического происхождения;

· переработка и обезвреживание различных отходов;

· рекреация и поддержание нормального состояния нервной системы (душевного и психического здоровья) человека.

Исходя из этого, наиболее важными и для благосостояния (существования) человека, и для биосферы в целом являются следующие экосистемы:

1) сельскохозяйственные;

2) лесные;

3) прибрежные и пресноводные.

Именно эти экосистемы вовлечены в важнейшие экологические процессы, необходимые как для выживания человека, так и для устойчивого социально-экономического развития общества.

Анализируя внутреннюю жизнь экосистем логично выделить три группы процессов (потоков):

1) потоки информации;

2) потоки вещества;

3) потоки энергии.

Эти потоки взаимосвязаны и тесно переплетаются. Например, носителем потоков энергии и информации зачастую служит поток вещества. Информация может переноситься также с потоками энергии (световой или тепловой радиацией, звуковыми сигналами). Поэтому выделение трех групп процессов носит условный характер и делается лишь для удобства анализа очень сложного объекта - функционирующей экосистемы. Благодаря такому выделению становится понятным, что для полноценной охраны живущих, динамичных экосистем необходимо сохранение всех трех потоков.

Потоки информации. Информация - энергетически слабое воздействие, воспринимаемое организмом как закодированное сообщение о возможности многократно более мощных влияний на него со стороны других организмов или факторов среды и вызывающее его ответную реакцию. Это наименее разработанная область в изучении жизни экосистемы. Освоение этой области позволит понять механизмы регуляции и устойчивости экосистем - святая святых экологии и ключ к возможности достаточно тонко управлять ими. Один из аспектов изучения потоков информации - это исследование сигнализации и коммуникации организмов. Установлено, что практически все мыслимые средства сигнализации (световая, химическая, звуковая) используются организмами.

Универсальную роль носителей информации в биосфере играют электромагнитные поля. Это обусловлено тем, что из всех известных нам мыслимых типов связи именно связь на основе электромагнитных полей является наиболее информативной и экономичной. Электромагнитные поля как способ связи в биосфере по сравнению со звуковой, световой или химической информацией имеют следующие преимущества:

· распространяются в любой среде жизни - воде, воздухе, грунте и тканях организмов;

· имеют максимальную скорость распространения;

· могут распространяться при любой погоде и независимо от времени суток:

· могут передаваться на любое расстояние;

· могут приходить на Землю из Космоса;

· на них реагируют все биосистемы (в отличии от других сигналов).

Раньше биологи учитывали лишь электромагнитное излучение Солнца в высокоэнергетической части его спектра - инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом участках диапазона - как источник энергии для всего живого. Лишь в последние десятилетия они начали понимать ту роль, которую играют в живой природе электромагнитные поля земного и космического происхождения в диапазонах радиочастот, низких и инфранизких частот. Оказалось, что именно эти энергетически слабые сигналы несут информацию, которая принимается, накапливается и используется организмами. Этот вопрос еще мало изучен.

Опасность, которая должна быть исключена при полноценной охране экосистемы - нарушение информационных потоков между особями одного вида в результате антропогенного воздействия на среду обитания.

И возможно именно загрязнением информационной среды, вызываемым деятельностью человека, следует объяснять загадочные случаи массового «самоубийства» китов, выбрасывающихся на сушу. Ведь околоземный простор в настоящее время перенасыщен искусственными антропогенными источниками электромагнитного поля.

Потоки вещества. Эти потоки целесообразно рассматривать как потоки химических элементов (С,N,Р). Они бывают:

· циклическими (круговороты веществ);

· нециклическими (потоки вещества, приносимые в данную экосистему извне и уходящие из нее в другие участки биосферы).

·

Круговорот веществ - это многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере, литосфере, в том числе в тех их слоях, которые входят в биосферу планеты. Однако в действительности полный круговорот совершают не вещества, а химические элементы. Поэтому точным будет термин «круговорот химических элементов».

Для того, чтобы биосфера продолжала существовать, чтобы на Земле не прекращалось развитие, постоянно должны происходить непрерывные химические превращения ее живого вещества. Иными словами, после использования одними организмами вещества должны переходить в усвояемую для других организмов форму. Такая циклическая миграция веществ и химических элементов может осуществляться только при определенных затратах энергии, источником которого является Солнце.

Если не учитывать поступающее в биосферу космическое вещество в виде метеоритов и пыли, то можно утверждать, что количество вещества, вовлекаемое в биосферные процессы, остается постоянным в течение геологических периодов.

В результате геологических изменений лика Земли часть вещества биосферы может надолго исключаться из этого круговорота.

Такие биогенные осадки как известняки, каменный уголь, нефть, на многие тысячелетия консервируются в толще земной коры, но в принципе не исключено их повторное включение в биосферный круговорот.

Выделяют два основных БИОХИМИЧЕСКИХ круговорота:

· большой (геологический);

· малый (биотический).

Большой круговорот длится сотни тысяч или миллионы лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде питательные вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан. Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками, с извлеченными из воды человеком организмами. Крупные медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

Малый круговорот, являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценоза и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и жизненные процессы как их самих, так и организмов - консументов. Продукты распада органического вещества вновь разлагаются почвенной микрофлорой и мезофауной (бактерии, грибы, моллюски, насекомые, простейшие и др.) до минеральных компонентов, опять таки доступных растениям и вновь вовлекаемых ими в поток вещества.

Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии химических реакций носит название БИОГЕОХИМИЧЕСКОГО ЦИКЛА.

Круговороты основных веществ и химических элементов в биосфере: углерода, фосфора, кислорода, воды.

Энергетические потоки. Одно из главных свойств живой системы - ее динамическое состояние, заключающееся в постоянном синтезе и распаде. Поддержание такого состояния требует потребления свободной энергии, а также пространственной и временной организации. В терминах термодинамики экологические системы любого ранга являются открытыми диссипативными (рассеивающими) системами, находящимися вдали от термодинамического равновесия (теплового хаоса).

Термодинамическая неравномерность - одна из самых существенных характеристик живого вещества, отличающих его от неживого.

Принцип «устойчивого неравновесия» (Э. С. Бауэр, 1937) гласит: «Все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет свободной энергии постоянную работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при соответствующих внешних условиях».

Если температура того или иного тела выше температуры окружающего воздуха, т.е. имеет место некоторый перепад температур, то общая температура системы «тело-среда» стремится к равновесию. Тело будет отдавать тепло до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой окружающей среды. В конечном итоге энергия любого живого тела может быть рассеяна в теплой форме, после чего наступает состояние термодинамического равновесия и дальнейшие энергетические процессы оказываются невозможными.

О такой системе говорят, что она находится в состоянии МАКСИМАЛЬНОЙ ЭНТРОПИИ. Энтропия, таким образом, отражает возможность превращения энергии и рассматривается как мера неупорядоченности системы (максимальной энтропии соответствует максимальная неупорядоченность - хаос). Для того, чтобы энтропия системы не возрастала, организм или система должна извлекать энергию («упорядоченность организация») откуда - то извне, непрерывно поддерживать и накапливать ее против градиента энтропии. Эту необходимую энергетическую дотацию экосистема (и организмы) получает от Солнца, по существу являясь ОТКРЫТОЙ СИСТЕМОЙ.

Живой организм извлекает НЕГЭНТРОПИЮ (отрицательную энтропию) из пищи, используя упорядоченность ее химических связей.

Именно изучение потоков энергии дало возможность увидеть целостность экосистем, четко выделить такие структурные особенности и характеристики экосистем, как пищевые уровни, цепи, сети.

Дата добавления: 2014-01-05