Биологическая продуктивность экосистем. Динамика экосистем. Экологические сукцессии. Классификация сукцессий. Проблемы стабильности

Продуктивность экологической системы - это скорость, с которой продуценты усваивают лучистую энергию в процессе фотосиносинтеза и хемосинтеза, образуя органическое вещество, которое затем может быть использовано в качестве пищи. Различают разные уровни продуцирования, на которых создается первичная и вторичная продукция. Органическая масса, создаваемая продуцентами в единицу времени, называется первичной продукцией, а прирост за единицу времени массы консументов - вторичной продукцией.

Первичная продукция подразделяется как бы на два уровня - валовую и чистую продукции. Валовая первичная продукция - это общая масса валового органического вещества, создаваемая растением в единицу времени при данной скорости фотосинтеза, включая и траты на дыхание. Растения тратят на дыхание от 40 до 70 % валовой продукции. Меньше всего ее тратят планктоновые водоросли - около 40 % от всей использованной энергии. Та часть валовой продукции, которая не израсходована "на дыхание", называется чистой первичной продукцией: - величина прироста растений и именно это продукция потребляется консументами, редуцентами

Сложение экосистем - динамический процесс. В экосистемах постоянно происходят изменения в состоянии и жизнедеятельности их членов и соотношении популяций. Многообразные изменения, происходящие в любом сообществе, относят к двум основным типам: циклические и поступательные.

Циклические изменения сообществ отражают суточную, сезонную и многолетнюю периодичность внешних условий и проявление внутренних (эндогенных) ритмов организмов.

Суточные циклы связаны главным образом с ритмикой природных явлений и носит строго периодический характер. Суточная динамика в биоценозах, как правило, выражена тем сильнее, чем значительнее разница температур, влажности и других факторов среды днем и ночью (открывание, закрывание цветков в соответствии с ритмами). В каждом биоценозе имеются группы организмов, активность жизни, у которых приходится на разное время суток. Одни активны днем, другие - ночью.

Сезонная цикличность биоценозов выражается в изменении не только состояния и активности, но и количественного соотношения отдельных видов в зависимости от циклов их размножения, сезонных миграций, отмирания отдельных генераций в течение года. На определенное время года многие виды практически полностью выключаются из жизни сообщества, переходя в состояние глубокого покоя (оцепенения, спячки, диапаузы), переживая неблагоприятный период на стадии яиц и семян, перекочевывая или улетая в другие биотопы или географические районы.

Сезонной изменчивости подвержена зачастую и ярусная структура биоценоза: отдельные ярусы растений могут полностью исчезать в соответствующие сезоны года, например, травянистый ярус, состоящий из однолетников.

Многолетняя цикличность зависит от изменения по годам метеорологических условий (климатических флюктуации), неравномерным выпадением осадков по годам, с периодическим повторением засух или других внешних факторов, действующих на сообщество (например, степени разлива рек).

Сукцессия - последовательная смена биоценозов, преемственно возникающая на одной и той же территории (биотопе) под влиянием природных факторов или воздействия человека.

Изменения в сообществе в результате сукцессии носят закономерный характер и обусловлены взаимодействием организмов между собой и окружающей абиотической средой. Экологическая сукцессия происходит в определенный отрезок времени, в который изменяется видовая структура сообщества и абиотическая среда его существования вплоть до кульминации его развития - возникновения стабилизированной системы.

Процесс сукцессии, по Фредерику Клементсу, состоит из нескольких этапов:

1. возникновения незанятого жизнью участка,

2. миграции на него различных организмов или их зачатков,

3. приживания их на данном участке,

4. конкуренции их между собой и вытеснения отдельных видов,

5. преобразования живыми организмами местообитания, постепенной стабилизация условий и отношений.

В зависимости от первоначального состояния субстрата, различают первичную и вторичную сукцессии. Первичная сукцессия начинается на субстрате, практически не измененном деятельностью организмов (на скалах, песках, обрывах). Вторичная сукцессия - это последовательная смена одного сообщества, существовавшего на данном субстрате, другим более совершенным для данных абиотических процессов.

Первичная сукцессия позволяет проследить формирование сообществ с самого начала (на склоне после оползня или обвала, на образовавшейся отмели при отступлении моря, свежая лесосека, искусственные водохранилища).

Вторичная сукцессия является обычно следствием деятельности человека.

 

14. Учение о биосфере. Состав и структура биосферы. Функции живого вещества. Круговороты веществ:биологический и экологический. Роль живых организмов в круговоротах в-в

Заслуга в разработке стройного, целостного научного учения о биосфере, как "области жизни", принадлежит русскому академику В.И. Вернадскому (1926). В основе его учения лежат представления о планетарной геохимической роли живого вещества и о самоорганизованности биосферы.

По современным представлениям, биосфера - это особая оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Вещественный состав биосферы в соответствии с учением В.И. Вернадского включает в себя семь глубоко разнородных, но геологически не случайных частей:

• живое вещество - совокупность всех живых организмов, населяющих нашу планету (люди, животные, птицы, растения, рыбы, микроорганизмы и т.д.);
• биогенное вещество - органические и органоминеральные вещества, созданные живыми организмами на протяжении геологической истории Земли и являющиеся источником чрезвычайно мощной энергии (все формы детрита, а также торф, уголь, известняк, нефть, газ биогенного происхождения и т.д.);
• косное вещество - совокупность всех неживых тел, образующихся в результате процессов, не связанных с деятельностью живых организмов (породы магматического и метаморфического происхождения, некоторые осадочные породы и т.д.);
• биокосное вещество - совокупность неживых тел, образованных в результате жизнедеятельности живых организмов (почва, кора выветривания, ил, природные воды, приземный воздух атмосферы и т.д.);
• вещество радиоактивного распада (элементы и изотопы уранового, ториевого и актиноуранового ряда);
• рассеянные атомы земного вещества и космических излучений;
• вещество космического происхождения в форме метеоритов, космической пыли и т.д.

В учении о биосфере выделяют следующие основные подходы:

• энергетический (связь биосферных явлений с космическим излучением (прежде всего, излучением Солнца) и радиоактивными процессами в недрах Земли);
• биогеохимический (роль живого в распределении атомов в биосфере);
• информационный (принципы организации и управления в живой природе);
• пространственно-временной (формирование и эволюция различных структур биосферы);
• ноосферный (глобальные аспекты воздействия человека на окружающую среду

Живое вещество - это совокупность всех форм жизни в биосфере.

Единство действия живого вещества в биосфере, сформулированное В. И. Вернадским, считается одним из основных законов всего органического мира.

Другое важное обобщение, сделанное В. И. Вернадским и названное им как биогеохимический принцип, заключается в том, что в биосфере с помощью живого вещества постоянно совершается биогенная миграция химических элементов (атомов) из внешней среды в живое вещество и из живого вещества в окружающую среду.

Важнейшая функция биосферы - регулярное создание живого вещества. Количество живого вещества всех групп растительных и животных организмов составляют биосферу.

Основными функциями живого вещества в биосфере являются:

• Газовая - способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. Живые существа постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой в процессах фотосинтеза и дыхания. Они строго контролируют концентрации газов, оптимальные для всей биоты. Преобладающая масса газов на Земле (азот, метан) имеет биогенное происхождение.
• Концентрационная - "захват" из окружающей среды живыми организмами и накопление в них атомов биогенных химических элементов. Пропуская через своё тело большие объёмы природных веществ, живые организмы осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов и их соединений. В теле живых организмов в основном концентрируются водород, углерод, кислород, азот, натрий, магний, кремний, кальций, калий, хлор, сера. Это объясняет неоднородность химического состава биосферы и её отличие от химического состава неживого вещества планеты.
• Энергетическая - связывание и запасание солнечной энергии в органическом веществе и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества. Эта функция связана с питанием, дыханием, размножением и другими процессами жизнедеятельности организмов.
• Окислительно-восстановительная - окисление и восстановление различных веществ с помощью живых организмов. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, S, P, N и др.), создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода и т.п.
• Информационная - для живых организмов активная информация записана в молекулярной накопленной живыми организмами определенной информации, закрепление ее в наследственных структурах и передача последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.
• Деструктивная - разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти, как остатков органического вещества, так и косных веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют редуценты (деструкторы) - сапрофитные грибы и бактерии.
• Транспортная - перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов.
• Средообразующая - преобразование физико-химических параметров среды в результате процессов жизнедеятельности организмов.
• Рассеивающая - функция, противоположная концентрационной, - рассеивание веществ в окружающей среде. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов и т.п.
• Биогеохимическая деятельность человека - превращение и перемещение веществ биосферы в результате человеческой деятельности для хозяйственных и бытовых нужд человека. Например, использование концентраторов углерода - нефти, угля, газа и др.

· Круговоротом веществ называют взаимный обмен веществами между различными природными телами. На Земле различают два круговорота веществ: большой, или геологический, и малый, или биологический.

· Большой круговорот веществ в природе (геологический) обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и перераспределяет вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. Этот круговорот в системе "магматические породы - осадочные породы - метаморфические породы (преобразованные температурой и давлением) - магматические породы" происходят за счет процессов магматизма, метаморфизма, литогенеза и динамики земной коры. Символом круговорота веществ является спираль: каждый новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма глубоким изменениям

Малым, или биологическим, круговоротом веществ называют обмен химическими элементами (атомами) между живыми организмами и косными компонентами биосферы: атмосферой, гидросферой и литосферой.

Биологический круговорот характеризуется наличием четырех обязательных взаимосвязанных компонентов:

1. запаса химических веществ и энергии;

2. продуцентов;

3. консументов;

4. редуцентов.

Вопросы есть в тетради.