Экология экосистем. Особенности структуры и функционирования

Учение о биосфере

Ведение

Термин “биосфера” введен австрийским геологом Э. Зюссом (1875 г.). Заслуга в разработке стройного, целостного учения о биосфере, как “области жизни”, принадлежит академику В.И. Вернадскому (1863-1945). Под биосферой он понимал область существования живого вещества. Живым организмам В.И. Вернадский отводил роль главнейшей преобразующей силы. Им показано важнейшее значение живых организмов при разрушении горных пород, осуществлении круговорота веществ, изменении водной и атмосферной оболочек Земли.

Структура биосферы

В.И. Вернадский считал, что вещество биосферы состоит из разнородныхчастей, главные из которых следующие: Живое вещество. Под ним понимаетсясовокупность всех живых организмов, которые выполняют в биосфере важные функциии играют значительную роль. Биогенное вещество (уголь, нефть, известняки, сланцы и др.) - органические иорганоминеральные вещества, созданные живыми организмами на протяжениигеологической истории Земли и являющиеся источником мощной энергии. Косное вещество представляет субстрат или среду обитания живых организмов. Образованопроцессами, в которых живое вещество не принимало участия. Биокосное вещество образовано в результате синтеза живого и неживого (косного) вещества(почвы, природные воды, илы и др.). Соотношение живого и косного вещества вбиокосном варьирует. Например, почва в среднем состоит из 93% косных и 7%органических веществ.

Функции живого вещества

1. Энергетическая. Связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза,передачей ее по цепям питания, рассеиванием. Эта функция - одна из важнейших. Вее основе лежит процесс фотосинтеза, в результате которого происходитаккумуляция солнечной энергии и ее последующее перераспределение междукомпонентами биосферы. 2. Газовая - способность изменять и поддерживатьопределенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. Преобладающаямасса газов на планете имеет биогенное происхождение. Так, кислород атмосферынакоплен за счет фотосинтеза. С газовой функцией в настоящее время связывают два переломных периода (точки) в развитии биосферы. Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от современного уровня(первая точка Пастера). Это обусловило появление первых аэробных организмов(способных жить только в среде, содержащей кислород). С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Это произошло примерно 1,2 млрд. лет назад. Второй переломный период в содержании кислорода связывают со временем, когда концентрация его достигла примерно 10%от современной (вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образования озонового экрана в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши (до этого функцию защиты организмов от губительных ультрафиолетовых лучей выполняла вода, под слоем которой возможна была жизнь). 3. Окислительно-восстановительная. Связана с интенсификацией под влиянием живого вещества процессов как окисления благодаря обогащению среды кислородом, так и восстановления прежде всего в тех случаях, когда идет разложение органических веществ при дефиците кислорода. Восстановительные процессы обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода, а также метана. Это, в частности, делает практически безжизненными глубинные слои болот, а также значительные придонные толщи воды (например, в Черном море). Данный процесс связи с деятельностью человека прогрессирует. 4. Концентрационная - способность организмов концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, повышая их содержание по сравнению с окружающей организмы средой на несколько порядков (по марганцу, например, в теле отдельных организмов - в миллионы раз). Результат концентрационной деятельности - залежи горючих ископаемых, известняки, рудные месторождения и т.п. Эту функцию живого вещества всесторонне изучает наука биоминералогия.Организмы-концентраторы используются для решения конкретных прикладных вопросов, например для обогащения руд интересующими человека химическими элементами или соединениями. 5. Деструктивная - разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности как самих остатков органического вещества так и косных веществ. Основной механизм этой функции связан с круговоротом веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют низшие формы жизни - грибы,бактерии (деструкторы, редуценты). 6. Транспортная- перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Часто такой перенос осуществляется на колоссальные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения). 7. Средообразующая. Эта функция является в значительной мере интегративной (результат совместного действия других функций). С ней в конечном счете связано преобразование физико-химических параметров среды. Эту функцию можно рассматривать в широком и более узком планах. В широком понимании результатом данной функции является вся природная среда. Она создана живыми организмами, они же и поддерживают в относительно стабильном состоянии ее параметры практически во всех геосферах. В более узком плане средообразующая функция живого вещества проявляется, например, в образовании почв. В. И. Вернадский, как отмечалось выше, почву называл биокосным телом, подчеркивая тем самым большую роль живых организмов в ее создании и существовании. Роль живых организмов в образовании почв убедительно показал Ч. Дарвин в работе «Образование растительного слоя земли деятельностью дождевых червей». Известный ученый В. В. Докучаев назвал почву «зеркалом ландшафта», подчеркивая тем самым, что она продукт основного ландшафтообразующего элемента - биоценозов и, прежде всего, растительного покрова. Локальная средообразующая деятельность живых организмов и особенно их сообществ проявляется также в трансформации ими метеорологических параметров среды. Это,прежде всего, относится к сообществам с большой массой органического вещества(биомассой). Например, в лесных сообществах микроклимат существенно отличается от открытых (полевых) пространств. Здесь меньше суточные и годовые колебания температур, выше влажность воздуха, ниже содержание углекислоты в атмосфере на уровне полога, насыщенного листьями (результат фотосинтеза), и повышенное ее количество в припочвенном слое (следствие интенсивно идущих процессов разложения органического вещества на почве и в верхних горизонтах почвы).

Основные свойства биосферы

1. Биосфера - нейтрализованная система. Центральным звеном ее выступают живые организмы (живое вещество). 2.Биосфера - открытая система, существование которой невозможно без постоянного притока энергии.Первостепенную роль здесь играет солнечная активность. 3. Биосфера - саморегулирующаяся система, имеющая определенную организованность (гомеостаз) и существующая по принципу: действие на систему сил, выводящих ее из состояния устойчивого равновесия, вызывает смещение этого равновесия в направлении ослабления эффекта испытываемого воздействия.Современная экологическая ситуация характеризуется нарушением названного выше принципа и многих механизмов гомеостаза, что уже привело к региональным кризисам, а впоследствии грозит человечеству и глобальным кризисом биосферы. 4. Биосфера - система, характеризующаяся большим разнообразием, что является важнейшим условиемустойчивости любой экосистемы и биосферы в целом. В настоящее время описанопримерно 1,5 млн. видов животных и 0,5 млн. видов растений. Однако ученыесчитают, что число видов на Земле в 2-3 раза больше, чем их описано (учтены невсе микроорганизмы, насекомые, обитатели глубинных частей океанов и другихмалоосвоенных местообитаний). 5. Биосфера — систему обеспечивающая круговорот веществ. Только благодаря круговоротам и наличию неисчерпаемого источника солнечной энергии обеспечивается непрерывность процессов в биосфере и ее потенциальное бессмертие. Живое вещество планеты содержит все известные сегодня химические элементы. Если некоторые из них(водород, кислород, углерод, азот, фосфор и другие) являются основой жизни, то другие (рубидий, платина, уран) имеются в организмах в очень малых количествах.Организмы участвуют в миграции химических элементов как прямо (выделение кислорода в атмосферу, окисление и восстановление различных веществ в почвах и гидросфере), так и косвенно (восстановление сульфатов, окисление соединений железа, марганца и других элементов). Биогенная миграция атомов вызвана тремя основными процессами: обменом веществ, ростом и размножением организмов.Огромную роль в биогеохимической активности играет человек, извлекая ежедневно в ходе добычи полезных ископаемых миллиарды тонн горной породы. Влияние человека на глобальные геохимические процессы с каждым годом только растёт.

Границы биосферы

Верхняя граница биосферы в атмосфере определяется высотой 20-25 км (слоем озона); озоновый экран защищает все живое на Земле от ультрафиолетового излучения Солнца. Отмечены случаи нахождения спор некоторых бактерий иплесневых грибов на значительно большей высоте. Нижняя граница: В гидросфере границы доходят до максимальных глубин, жизнь встречается на дне океанических впадин до 10-11 км от поверхности. В литосфере жизнь ограничивается прежде всего, температурой горных пород, постоянно возрастающих с глубиной. В породах земной коры бактерии были обнаружены на глубине 4 км. Биосфера является глобальной системой, в состав которой входят природные системы меньших масштабов.

Экология экосистем. Особенности структуры и функционирования

Биогеоценоз

Биогеоценоз -это динамическое, устойчивое сообщество растений, животных, микроорганизмов,находящихся в постоянном взаимодействии и непосредственном контакте с компонентами атмосферы, гидросферы, литосферы. Граница биогеоценоза устанавливаются по границе растительного сообщества (фитоценоза). Схема структуры биогеоценоза Термин “биогеоценоз" предложил в 1944 году академик В.Н. Сукачев (1880-1967).

Экосистема

В экологии наряду с термином “биогеоценоз” используется термин “экосистема”, предложенный в 1935 году английским ботаником Артуром Д.Тенсли (1871-1955). Принципиальных различий между понятиями экосистема и биогеоценоз нет (смотри тему «Основные вопросы экологии»). Все экосистемы можно разделить на естественные (тайга,озеро) и искусственные (аквариум). По масштабу все экосистемы подразделяют на: ■ микроэкосистемы(ствол гниющего дерева, лужа, аквариум); ■ мезоэкосистемы(лес, пруд, озеро, город); ■ макроэкосистемы(природная зона, континент, океан). Все экосистемы земного шара связаны через атмосферу и Мировой океан и составляют единое целое - биосферу - глобальную экосистему. Между экосистемами, как и между биогеоценозами, нет четких границ, и одна экосистема постепенно переходит в другую, то есть большие экосистемы состоят из экосистем меньшего размера (масштаба). Любая экосистема состоит из биотической (биоценоз, биота) и абиотической (экотоп, биотоп) частей, которые связаны непрерывным обменом веществ и представляют собой энергетически и вещественно открытую систему.

Классификация живых организмов по способу питания

Биота образована группами организмов, отличающихся по способу питания: автотрофы и гетеротрофы. Выделяют еще миксотрофные организмы (от греч. mixis - смешение и trophe - пища, питание), которые в зависимости от условий внешней среды, сочетают автотрофный и гетеротрофный способы питания (сине-зеленые водоросли, растения-хищники, эвгленовые). Классификация живых организмов по способу питания. Автотрофы (от греч. - питаться) - организмы, получающие все нужные им для жизни химические элементы из окружающей косной материи и не нуждающиеся в готовых органических соединениях другого организма для построения собственного тела. Основной источник энергии, используемый автотрофами, - Солнце. Образно говоря, автотрофы являются кормильцами биосферы: они не только питаются сами, но и кормят (своим телом) других. Поэтому их называют продуцентами. Биомасса, создаваемая ими, называется первичной. Среди автотрофов выделяют: фотоавтотрофы (используют в качестве источника энергии солнечный свет) и хемоавтотрофы (используют энергию, выделяющуюся при окислении неорганических веществ). К автотрофам относятся, например, наземные зеленые растения, водоросли и бактерии, которые способны к фотосинтезу. При этом наземные растения образуют основную массу органического вещества в биосфере. Гетеротрофы (Греч.- другой) - это организмы, использующие для своего питания чужие тела (живые или мертвые), то есть готовые органические вещества. Очевидно, что жизнедеятельность гетеротрофов полностью определяется синтетической активностью автотрофов. Среди гетеротрофов выделяют три группы организмов: · убивающие объект питания (хищники); · питающиеся за счет других организмов, но не убивающие их (паразиты, кровососы); · питающиеся отмершей органикой. Гетеротрофы имеют более богатое видовое разнообразие, чем автотрофы, но общая их биомасса существенно меньше. Гетеротрофные организмы выполняют в экологических системах роль консументов (к ним относят всех животных, часть микроорганизмов, паразитических и насекомоядных растений) или редуцентов (главным образом грибы и бактерии). Последние в процессе своего питания превращают пишу - органические остатки - в неорганические вещества, возвращая, таким образом, их в биосферу. Биомассу,которую образуют гетеротрофы, называют вторичной. Наконец, существуют организмы со смешанным типом питания - миксотрофы (сине-зеленые водоросли и растения-паразиты). Эти организмы выступают и как автотрофы, и как гетеротрофы в зависимости от условий среды.

Автотрофные организмы s rFDYUQh9/4+64eysOFFMxrOEpqpBEI9eG54lHPbvj88gUlaslfVMEi6UYOjv77pPsiqXo7SYkERR OElYcg4viGlcyKlU+UBcNpOPTuUyxhmDGlc1E7Z1/YTxrwH9lSl2WkLc6QbE/hJK8v+2nyYz0qsf j44434jApUjRGl4LquJM+Ze1rvRbm00Vj+i8RkspecaToa8qLGEwWjbtg3JhG0r9MrWbH+PD61Lv 7ZwpsrKAfYdXz+m/AQAA//8DAFBLAQItABQABgAIAAAAIQC2gziS/gAAAOEBAAATAAAAAAAAAAAA AAAAAAAAAABbQ29udGVudF9UeXBlc10ueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADj9If/WAAAAlAEAAAsA AAAAAAAAAAAAAAAALwEAAF9yZWxzLy5yZWxzUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAK+qfrphAwAAAgcAAA4A AAAAAAAAAAAAAAAALgIAAGRycy9lMm9Eb2MueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAIZzkuHWAAAAAwEA AA8AAAAAAAAAAAAAAAAAuwUAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQBUxTiA6QAA AGUBAAAZAAAAAAAAAAAAAAAAAL4GAABkcnMvX3JlbHMvZTJvRG9jLnhtbC5yZWxzUEsFBgAAAAAF AAUAOgEAAN4HAAAAAA== " o:button="t" filled="f" stroked="f">

Автотрофные организмы привлекают необходимые для жизни неорганические минеральные вещества из окружающей среды и при помощи солнечной энергии превращают их в органическое вещество. Это - продуценты экосистемы (в основном, зеленые растения). По источнику энергии они в свою очередь делятся на две группы. 1. Фотоавтотрофы для синтеза органических веществ используют солнечную энергию. Это растения, усваивающие солнечный свет с помощью хлорофилла двух видов (у зеленых растений и зеленых водорослей) и фикоэритрина (у красных водорослей). Процесс носит название фотосинтез. Фотосинтез - процесс преобразования подвижной солнечной энергии в стабильную энергию химических связей. В результате в клетке образуется органическое вещество - углевод глюкоза. (Из продуктов превращений первичных углеводов и неорганических азотсодержащих веществ синтезируются аминокислоты из которых в последствии синтезируются первичные белки). Органические вещества, образующиеся в процессе фотосинтеза служат источником энергии для самого растения и для животных, их поедающих. Суммарное уравнение фотоснтеза: 6С0₂ + 6Н₂0 + Q = С₆Н₁₂0₆ + 60₂ Высвобождение заключенной в пище энергии происходит в процессе дыхания: С₆Н₁₂0₆ + 0₂ = С0₂ + Н₂0 + Q 2. Хемоавтотрофы для синтеза органических веществ используют химическую энергию. Это серобактерии и железобактерии, получающие энергию при окислении соединений серы и железа. Хемоавтотрофы играют значительную роль только в экосистемах подземных вод. Их роль в наземных экосистемах обычно незначительна. В отличие от продуцентов, которые сами производят для себя пищу, гетеротрофы используют синтезированный автотрофами углеродорганических веществ и тем самым получают энергию.

Группы гетеротрофов

Выделяют следующие группы гетеротрофов: 1. Консументы - организмы, усваивающие живое органическое вещество и частично переводящие его в неорганическое, а частично в органические соединения нового вида. В зависимости от источников питания консументов подразделяют на группы. Растительноядные животные (фитофаги) - консументы 1-го порядка.Например, тля, слон, корова. Они переводят органические вещества растительного происхождения в органические вещества животного происхождения и часть органического вещества превращают в неорганическое за счет процессов диссимиляции. Плотоядные животные (хищники, зоофаги) - консументы 2-го порядка питающиеся растительноядными животными и консументы 3-го порядка поедающие плотоядных животных. Паразиты - различные организмы (черви, насекомые, грибы,бактерии, вирусы, реже растения (омела, повилика, заразиха) которые живут за счет организма-хозяна. Эврифаги (всеядные) - организмы, которые используют в качестве пищи как растительную, так и животную пищу. Выделена особая группа консументов - сапрофаги (сапрофагиот греч, сапрос - гнилой) или детритофаги (детрит - мертвое органическое вещество). Это организмы, питающиеся мертвым органическим веществом, главным образом, трупами животных и гниющими остатками. Они - санитары природы: птицы (ворон, гриф), млекопитающие (крыса, гиена), насекомые (муравьи,жуки-мертвоеды, жуки-навозники), дождевой червь и многие другие. Сапрофаги механически, а отчасти и химически разрушают мертвое органическое вещество,подготавливая его к воздействию редуцентов. 2. Редуценты (деструкторы)- потребители мертвого органического вещества. Это - бактерии и грибы, окончательно разлагающие отмершую органику на исходные неорганические вещества, возвращая их в среду, где они вновь могут быть использованы продуцентами - зелеными растениями. Если бы на Земле не было бы редуцентов, а существовали только продуценты - зеленые растения, то в конце концов все минеральные вещества оказались бы связанными в этих растениях (или их мертвых телах) и рост прекратился бы. Но этого не происходит. Поэтому любая экосистема могла бы существовать неопределенно долго, если бы в ее состав входили