Экосистемы

Как известно, фотосинтез представляет собой химическую реакцию протекающую за счет солнечной энергии при участии хлорофила зелёных растений и может быть предствален в виде следующей схематической реакции:

пС02 + пН20 + энергия -> Cn Н2пОп + п02

За счет углекислоты и воды синтезируется органическое вещество и выделяется свободный кислород.

Фотосинтез происходит практически на всей поверхности земли, создает огромное количество органического вещества всей биосферы.

При гибели живого организма происходит обратный процесс - разложение органического вещества путем окисления, гниения и так далее.

Поэтому общую реакцию фотосинтеза в глобальном масштабе можно выразить следующим образом:

тС02 + пН20 = Ст(Н20)п + т02

В биосфере Земли этот процесс приводит к тому, что количество биомассы живого вещества приобретает тенденцию к определённому постоянству.

Растения земли ежегодно продуцируют органическое вещество в количестве около 8% от биомассы экосферы. Деструкторы перерабатывают эту массу органического вещества в среднем за 12,5 лет то есть происходит глобальный биотический круговорот.

Этот круговорот подчиняется Закону биогенной миграции атомов В.И. Вернадского, сущность которого состоит в следующем:

Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном

участии живого вещества (это биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, которое в настоящее время населяет биосферу или которое действовало на земле в течение всей геологической истории. Круговорот углерода.

Источником первичной углекислоты в биосфере является вулканическая деятельность. Миграция углекислоты в биосфере протекает двумя путями:

1. Первый путь. Заключается в поглощении углерода в процессе фотосинтеза с образованием глюкозы и других органических веществ, из которых построены все растительные ткани. Затем они переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных живых существ экосистемы. С гибелью растений и животных происходит окисление органических веществ с образованием углекислоты. Атомы углерода возвращаются в атмосферу и при сжигании органического вещества. Особенностью круговорота углерода является то, что в далёкие геологические эпохи значительная часть органического вещества, созданного в процессе фотосинтеза не использовалась ни консументами ни редуцентами, а накапливалась в литосфере в виде нефти, угля, торфа и так далее. Это топливо добывается сейчас. Сжигая его, мы в определенном смысле завершаем круговорот углерода.
2. Второй путь миграции углерода осуществляется созданием карбонатной системы в водоёмах, где углекислый газ переходит в угольную кислоту, а также ионы НСОЗ и СОЗ. С помощью растворенного в воде кальция или магния происходит осаждение карбонатов (СаСОЗ) биогенными и абиогенными путями с образованием мощного слоя известняков.

Поток энергии в экосистемах. Существование экосистем зависит от постоянного притока энергии, необходимой всем организмам для их жизнедеятельности.

В отличии от веществ, непрерывно циркулирующих по разным блокам экосистемы, которые всегда могут повторно использоваться и входить в круговорот энергия же может использоваться только один раз. То есть имеет место линейный поток энергии через экосистему.

Поток энергии в экосистемах подчиняется действию законов термодинамики.

Первый закон термодинамики свидетельствует о том, что энергия может превращаться из одной формы (например света) в другую (например, потенциальную энергию пищи), но не может быть создана или уничтожена.

Второй закон термодинамики свидетельствует о том, что превращение энергии не может происходить без потерь некоторой ее части. Определённое количество энергии в таких превращениях рассеивается в недоступную тепловую энергию, а следовательно теряется.

Таким образом, живые организмы являются преобразователями энергии, причем это преобразование происходит с потерей части этой энергии в виде тепла.

Живые организмы практически не используют тепло как источник энергии - основными источниками их жизнедеятельности является свет и химическая энергия.

Пищевые цепи и тофические уровни. Внутри экосистемы содержащие энергию вещества создаются автотрофными организмами и служат пищей для гетеротрофов.

Пищевые связи - это механизмы передачи энергии от одного организма к другому.

Примером пищевых связей может быть следующая. Животное поедает растение. Это животное, в свою очередь может быть съедено другим животным. Таким путем может происходить перенос энергии через ряд организмов - каждый последующий питается предыдущим, поставляющим ему сырье и энергию. Такая последовательность переноса энергии называется пищевой (трофической) цепью.

Место каждого звена в цепи питания называется трофическим уровнем.

Первый трофический уровень занимают автотрофы или так называемые первичные продуценты.

Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами, третьего - вторичными консументами и т.д.

Обычно различают три типа пищевых связей. На суше пищевые цепи состоят из трех-четырех звеньях:

Продуцент -> травоядное животное - > плотоядное животное.

В водных экосистемах пищевые цепи как правило длиннее чем в наземных. Например:

Фитопланктон->зоопланктон->Рыбы(микрофаги)->Рыбы (макрофаги)->Птицы (ихтиофаги)

Тип пищевых связей, начинающихся с отмерших остатков растений, трупов или экскрементов животных относится в детритным или сапрофитным пищевым цепям.

В детритных пищевых цепях наземных экосистем важную роль играет лесная подстилка. Примером таких цепей могут быть следующие:

Листовая подстилка->Дождевой червь->Черный дрозд->Ястреб тетеревятник

Мёртвое животное-> Личинки мух->Лягушка-> Уж

В рассматриваемых схемах пищевых цепей каждый организм представлен как питающийся другими организмами другого типа.

В реальности же пищевые связи в экосистеме намного сложнее. Так как животные могут питаться организмами разных типов из одной и той же пищевой цепи или из разных цепей. Поэтому в одной экосистеме всегда присутствуют различные типы пищевых связей, которые образуют так называемую пищевую (трофическую) сеть.

Экологические пирамиды. Внутри каждой экосистемы трофические сети имеют хорошо выраженную структуру, которая характеризуется природой и количеством организмов, представленном на каждом уровне различных пищевых цепей.

Для правильного представления о взаимоотношениях между организмами в экосистеме и для их графического изображения используют не схемы пищевых сетей, а экологические пирамиды.

Экологические пирамиды выражают трофическую структуру экосистемы в геометрической форме.

Они отражают фундаментальные характеристики любого биоценоза, когда показывают его трофическую структуру:

Пирамиды численности. Они представляют собой наиболее простое приближение к изучению трофической структуры экосистемы и отражают плотность организмов нп каждом трофическом уровне.

Установлено, что в любой среде растений больше, чем животных, травоядных животных больше чем плотоядных, насекомых больше чем птиц.

Пирамиды численности отражают плотность организмов на каждом трофическом уровне. Примером пирамиды численности может быть следующая:

 

 

 

Прямая пирамида численности       Перевёрнутая Пирамида биомассы. В этом виде пирамид учитывается суммарная масса организмов (биомасса) каждого трофического уровня, отнесенная к единице площади или объема. Форма пирамиды биомассы сходна с формой пирамиды численности. Для пирамиды биомассы также характерно уменьшение биомассы на каждом следующем трофическом уровне.

 

 

 

Пирамиды энергии. Для более полного отображения связей между организмами на различных трофических уровнях служат пирамиды энергии. Этот вид пирамид отражает эффективность преобразования энергии и продуктивность пищевых цепей.

Пирамиды энергии строятся подсчётом количества энергии (в ккал) аккумулированной единицей поверхности за единицу времени используемой организмами на каждом трофическом уровне.

Рассмотрим пирамиду энергии на нашем примере: растение-мыши-сова.

Солнечная энергия полученная растениями в этой цепи лишь частично используется в процессе фотосинтеза. Она фиксируется в углеводах и представляет собой валовую продукцию экосистемы Пв. Эти углеводы идут на рост и

развитие растений, часть их используется на дыхание Д1. Чистая продукция Пч определяется по разнице между ( Пв - Д1) а поток энергии проходящий через валовую продукцию складывается из Пв = Пч+Д1

Часть созданной продукция Пч служит кормом для мышей (фитофагов) остальное отмирает и перерабатывается редуцентами Ассимилированный фитофагами корм (А2) тоже лишь частично используется для образования биомассы П2. Он растрачивается на обеспечение энергией процессов дыхания мышей Д2. Поток энергии проходящий через второй трофический уровень выражается формулой:

А2 = П2 + Д2

.... и так далее  можно проследить совокупность  пищевой цепи до последнего трофического уровня.

Распределив по вертикали различные затраты энергии на трофических уровнях можно получить картину пищевой пирамиды в экосистеме.

Поток энергии выражающийся количеством ассимиляционного вещества

по цепи питания на каждом трофическом уровне уменьшается:

Пч >П2>ПЗ и т.д.

И выражается законом пирамиды энергий Линдемана, или законом 10%, который звучит следующим образом. С одного трофического уровня экологической пирамиды на другой переходит в среднем не более 10% энергии.

Исходя из этого закона следует, что передача энергии с одного трофического уровня на другой происходит с очень малым КПД. Это и объясняет ограниченное количество звеньев в пищевых цепях.

В 1959 году английский эколог Одум на примере упрощенной пищевой цепи люцерна->телёнок->ребёнок рассчитал превращение энергии и величину ее потерь.

Он предположил, что имеется посев люцерны, на котором пасутся телята (предполагается, что они едят только люцерну), а 12 летний мальчик питается только телятиной. Результаты его расчётов представленные в виде трех пирамид: численности, биомассы и энергии показали, что люцерна использует 0,24%

всей падающей на поле солнечной энергии, теленок усваивает 8% от этой энергии, и только 0,7% биомассы теленка обеспечивает развитие ребенка в течение года.

Приведенный пример наглядно иллюстрирует очень низкую экологическую эффективность экосистем и малый КПД при превращении в пищевых цепях.

Продуктивность экосистем тесно связана с потоком энергии, проходящим через ту или иную экосистему. В каждой экосистеме часть приходящей энергии, попадающей в торофическую сеть, накапливается в виде органических соединений.

Безостановочное производство биомассы - является одним из основных процессов биосферы.

Органическое вещество, создаваемое продуцентами в процессе фотосинтеза называется первичной продукцией экосистемы.

Первичной продукцией определяется общий поток энергии через биотический компонент экосистемы и биомасса живых организмов, которые могут существовать в экосистеме.

Теоретическая возможная скорость создания первичной продукции определяется возможностями фотосинтетического аппарата растений. КПД которого не высок. В целом по земному шару усвоение растениями солнечной энергии не превышает 0,1% ФАР. Средний коэфициент использования энергии ФАР для территории России равен 0,8%. На Европейской части России он составляет 1-1,2%, а в восточный районах, где условия увлажнения менее благоприятны он не превышает 0,4-0,8%.

Скорость с которой растения накапливают химическую энергию называют валовой первичной продуктивностью (ВПП).

Около 20% этой энергии расходуется растениями на дыхание. Скорость накопления органического вещества, за вычетом расходов на дыхание называется чистой первичной продуктивностью (ЧПП). Это энергия, которую могут использовать организмы следующих трофических уровней.

Количество органического вещества, накопленного гетеротрофами называется вторичной продукцией. Гетеротрофы, включаясь в трорфические цепи, в конечном итоге живут за счет чистой первичной продукции. Полнота ее расхода в разных экосистемах различна.

Увеличение общей биомассы в экосистеме отмечается в том случае, если скорость изъятия первичной продукции в цепях питания отстает от темпов прироста растений.

Мировое распределение первичной биологической продукции неравномерно. Например, прирост растительности изменяется от 20 ц/га на побережье Ледовитого океана до 200 ц/га в Краснодарском крае.

Общая годовая продуктивность сухого органического вещества на Земле составляет 150-200 млрд. тонн. Практически вся чистая первичная продукция Земли служит для поддержки жизни всех гетеротрофных организмов. Энергия недоиспользованная консументами, запасается в гумусе почв, органических осадках водоёмов и т.д.

Питание людей обеспечивается сельскохозяйственными культурами, занимающими около 10%) площади суши. Всего человек потребляет около 0,2% первичной продукции земли.

Ресурсы, имеющиеся на Земле, включая продукцию животноводства и результаты промыслов на суше и в океане могут обеспечить ежегодно только 50% потребностей современного населения Земли. Особенно трудно обеспечивать население вторичной продукцией. В рацион человека должно входить не менее 30 г белков в день.

Поэтому, увеличение биологической продуктивности экосистем и особенно вторичной продукции является одной из основных задач, стоящих перед человечеством.

Структура биотического круговорота состоит из нескольких циклов: Первичный биотический круговорот состоял из примитивных одноклеточных организмов П и редуцентов-деструкторов Д.

Второй круг биотического круговорота связан с появлением высших растений Р способных создавать органическое вещество.