<<
>>

Закономерности функционирования экосистем

Жизнь в биосфере поддерживается постоянным притоком солнечной энергии, которая воспринимается молекулами живых клеток и через фотосинтез преобразуется в энергию химических связей.

Химические вещества переходят от одних организмов к другим по трофическим цепям. При этом живой организм извлекает энергию из пищи, используя упорядоченность ее химических связей. Часть этой энергии расходуется на поддержание жизненных процессов самого организма, часть теряется, а 5—20% от общего количества передается организмам последующих пищевых уровней. Не израсходованная на дыхание часть биомассы разлагается редуцентами. В итоге вся биомасса при распаде высвобождает всю содержавшуюся в ней энергию. Таким образом, экосистемы представляют собой энергетически открытые системы. Поэтому постоянный приток солнечной энергии — необходимое условие существования экосистемы. Высвобождающаяся энергия безвозвратно теряется для системы, а химические элементы вновь вовлекаются в круговорот веществ.

Практически все вещества земной коры с разной скоростью и в разных количествах проходят через организмы. Однако для жизни необходимо всего лишь около 20 биогенных элементов, постоянно участвующих в процессах жизнедеятельности. В их число входят: кислород (около 70% массы организмов), углерод (18%), водород (10%). Азот, кальций, калий, фосфор, магний, сера, хлор, натрий - так называемые универсальные элементы — присутствуют в клетках всех организмов. Некоторые из биогенных элементов имеют большое значение только для определенных групп живых существ (например, бор для растений, ванадий для асцидий и т. п.). В.И. Вернадский считал, что все химические элементы, постоянно присутствующие в живых организмах и играющие определенную физиологическую роль, включены в непрерывный круговорот веществ, или биогеохимические циклы.

Движущими силами круговорота веществ служат потоки энергии Солнца и деятельность живого вещества, приводящие к перемещению огромных масс химических элементов, концентрированию и перераспределению энергии, аккумулированной в процессе фотосинтеза.

Благодаря фотосинтезу и непрерывно действующим циклическим круговоротам биогенных элементов создается устойчивая организованность всех экосистем и биосферы в целом, осуществляется их нормальное функционирование.

Нормальные биогеохимические циклы не являются замкнутыми, хотя степень обратимости годичных циклов важнейших биогенных элементов достигает 95—98%. Неполная обратимость (незамк- нутость) — одно из важнейших свойств биогеохимических циклов, имеющее планетарное значение. Именно это обусловило биогенное накопление кислорода и азота в атмосфере, а также различных химических элементов и соединений в земной коре. Например, за счет неполной обратимости цикла углерода в течение последних 600 млн лет накопились огромные запасы углеродистых отложений (известняков, битумов, углей, нефти и т. д.), оцениваемые в 1016—1017 т.

Цикличность преобразования элементов обеспечивается односторонне направленной передачей биомассы в трофических цепях экосистем. Пищевые цепи могут состоять из малого или большого числа звеньев. Организмы разных трофических цепей, но при этом получающие пищу через равное число звеньев в цепи питания, находятся на одном трофическом уровне. Реальные взаимоотношения между трофическими уровнями в экосистеме очень сложны.

Популяции одного итого же вида, участвуя в различных трофических цепях, могут находиться на разных трофических уровнях, в зависимости от источника используемой энергии. На каждом трофическом уровне потребленная пища большей частью используется на поддержание жизнедеятельности и обмена веществ. При этом, как уже указывалось, часть энергии, заключенной в пище, теряется в виде теплоты. Поэтому продукция организмов каждого последующего трофического уровня всегда меньше и составляет не более 10— 20% предыдущего. Относительное количество энергии, передающейся от одного трофического уровня к другому, называется экологической эффективностью сообщества (экосистемы).

Соотношение различных трофических уровней (трофическую структуру) можно изобразить графически в виде экологической пирамиды, основанием которой служит первый уровень — уровень продуцентов.

Экологическая пирамида может быть трех типов (рис. 2.2): пирамида чисел — численность отдельных организмов на каждом уровне (число особей на площадь суши или объем для водных экосистем); пирамида биомассы - общая сухая масса, энергосодержание или другая мера общего количества живого вещества (обычно рассчитывается в единицах массы на площадь или объем); пирамида энергии — величина потока энергии (рассчитывается в энергетических эквивалентах, отнесенных к единице времени).

Для наглядности пирамиды чисел, биомасс и энергий представлены на рис. 2.2,бв логарифмическом масштабе. Более подробную информацию о построении пирамид можно найти в книге[II].

Основание в пирамидах чисел и биомассы может быть меньше, чем последующие уровни (так называемые обращенные пирамиды). Это встречается в экосистемах, где продуценты крупны и малочисленны по сравнению с консументами. Например, лес, где главные продуценты — древесные растения. Нормальные пирамиды чисел встречаются в биоценозах, где продуценты мелкие и многочисленные, например на лугах и в степи. Пирамида энергии всегда стоит «правильно», т. е. суживается кверху, так как, в отличие от двух предыдущих, учитывает время преобразований.

Таким образом, можно сделать вывод, что в экосистемах уменьшение количества доступной энергии обычно сопровождается умень-

0,1га степи

С} |/ Конечные коясумеяты Сг \900Щ Хищники

              С, f 200000 | Травоядные

Р\              1500 000 Продуценты |

0,1га листопадного леса умеренных

широт

              ?з_1_2

Сг |              120000              |

|              isoodo

времени биомасса мала, и в низших звеньях водной трофической цепи в качестве урожая взять нечего.

В целях сравнения продуктивности отдельных видов, популяций и экосистем в экологии определяют удельную продуктивность — величину продукции животных или растений, отнесенную к их средней биомассе за один и тот же отрезок времени.

Известно, что скорость обмена веществ и роста организмов обычно возрастает со снижением их размеров. Поэтому удельная продуктивность автотрофов в водных экосистемах очень высока и за год выражается двузначными и трехзначными числами, а у наземных продуцентов этот показатель не превышает единицы.

Наземные экосистемы играют особую роль в жизни человека, поскольку урожай в них можно получать на всех трофических уровнях в отличие от водных сообществ, где используется только верхняя часть экологической пирамиды. Следовательно, особенности двух типов экосистем необходимо учитывать при эксплуатации природных ресурсов.

Между крайними типами экосистем существует множество переходных вариантов, тесно связанных друг с другом. Различные экосистемы взаимодействуют, образуя сложную структуру биосферы. Между экосистемами происходит обмен живыми организмами и их зачатками (личинками, спорами, семенами и т. п.). Благодаря подвижности воздуха и воды, перепадов (градиента) температуры, диффузии газов происходит расселение растений, животных и микроорганизмов. Птицы и насекомые перемешаются во время сезонных перелетов — также, как другие животные во время кочевок.

Вещество перемещается в виде твердых и жидких частиц Часто минеральные элементы сдуваются ветром и смываются водой с горных пород. Обмен энергией происходит как в виде тепла, так и в виде энергии химических связей (т. е. органических соединений).

По отношению к межбиоценотическим связям можно выделить три основные группы наземных экосистем: стабильные сообщества, расположенные на равнинных междуречьях, в которых вынос веществ в другие экосистемы и получение их со стороны незначительны; мало теряющие, но мною получающие биоценозы, расположенные на низких уровнях рельефа, где накапливаются большие запасы органического вещества; много теряющие, но мало получающие экосистемы на крутых склонах. Так образуется цепь экосистем, перераспределяющая вещество и энергию в биосфере.

Интенсивная хозяйст венная деятельность человека ведет к замене естественных экосистем искусственными, в первую очередь — сельскохозяйственными, или агроценозами.

В агроиенозах растительный покров создается человеком и представлен обычно одним видом или сортом культивируемого растения и сопутствующими сорняками. Как и в любой экосистеме, в агроценозе существуют пищевые цепи. Комплексы организмов, за исключением культивируемых растений, в агроценозе формируются под влиянием естественного отбора. При этом человек, создавая условия для возделываемого вида, жестко подавляет другие виды — деятельность также становится дополнительным экологическим фактором.

Агроценоз не способен длительно существовать без вмешательства человека, так как не обладает саморегуляцией. В го же время он характеризуется высокой продуктивностью, что позволяет собирать большой урожай (значительно превосходящий таковой у естественных сообществ) одного или нескольких видов (сортов) растений. Вместе с урожаем из почвы изымается большое число минеральных элементов, поэтому агроценозы нуждаются в восстановлении плодородия через внесение удобрений. В настоящий момент сельскохозяйственные угодья занимают на планете огромные площади, и агроценозы становятся все более важными регуляторами газового режима. Для охраны окружающей среды важна правильная организация сельскохозяйственных ландшафтов, которая обеспечивала бы максимальное усвоение растениями углекислого газа и вела бы к росту урожайности культурных растений. Следует отметить, что агроценозы создаются не только в области растениеводства, но и в животноводстве и звероводстве.

Помимо агроценозов, искусственные экосистемы создаются для жизни и работы человека в космическом пространстве, а также в противоатомных убежишах. Для длительного поддержания существования человека в этих условиях необходима замкнутая система жизнеобеспечения, подобная биоценозу. Примерный состав системы жизнеобеспечения, способной функционировать длительное время, таков: человек, автотрофные организмы, гетеротрофные организмы (для животной пищи человека), звено минерализации и утилизации отходов. В настоящий момент идет экспериментальный поиск организмов, пригодных для создания таких замкнутых искусственных экосистем.

Пока в качестве автшрофов прелпола1ают использовать тропические корнеплоды (батат и др.), а в качестве ге- 1еротрофон — некоторых всеядных рыб и пгиц.

С технической точки зрения закрытая (искусственная) экосистема должна состоять из следующих компонентов: звено регенерации воды и газовой среды (для поддержания состава кислорода в воздухе, удаления углекислого газа, а также токсичных веществ, обогащения и регенерации воды, выделяемой организмами, и санитарно-гигиенической воды); звено обеспечения пищей и синтеза пищевых продуктов; звено удаления и утилизации отходов жизнедеятельности (сбор отходов, их переработка, очищение от запахов); устройства конденсирования влаги из газовой среды; санитарно-гигиенические устройства.

К настоящему времени создать эффективную искусственную экосистему, способную обеспечить жизнь человека в течение длительного времени, пока не удалось. Поэтому космические полеты к другим планетам и звездным системам на сегодняшний день неосуществимы. 

<< | >>
Источник: Большаков В.Н., Качак В.В., Коберниченко В.Г.. Экология: Учебник. Изд. 2-е, перераб. п доп. 2005

Еще по теме Закономерности функционирования экосистем:

  1. Особенности функционирования и закономерности эволюции международных систем
  2. Изменчивость и стабильность экосистем
  3. Структуры экосистем и их основные характеристики
  4. Я. А. ПОНОМАРЕВ. В книге рассматриваются предмет и методы психологии творчества, центральное звено психологического механизма творческой деятельности, способности и качества творческой личности. В ней содержится обширный экспериментальный материал, на основании которого сформулирован ряд психологических закономерностей творческой деятельности и закономерностей формирования благоприятствующих ей условий., 1976
  5. 3.1.2. Закономерности обучения военнослужащих
  6. 2.1. Всеобщая закономерность природопользования
  7. 6.Закономерности психического развития
  8. Закономерности размещения организмов в пространстве
  9. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОРГАНИЗАЦИОННЫХ УСПЕХОВ И НЕУДАЧ
  10. Л.В. Чернец ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПРОИЗВЕДЕНИЯ
  11. Общие закономерности ощущений
  12. Закономерности развития культуры
  13. 9.8. Октябрь 1917-го — случайность, неизбежность, закономерность?
  14. 2.1. Механизм создания и функционирования холдинговых компаний