Экосистема, ее строение и функционирование. Движение вещества и энергии в экосистеме

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Экосистема, ее строение и функционирование. Движение вещества и энергии в экосистеме.

ЭКОСИСТЕМА - совокупность разных видов  организмов, совместно обитающих, и  условий их существования, находящихся  в закономерной взаимосвязи друг с другом. Несмотря на то что экосистема - самая крупная и во многих отношениях самая важная экологическая единица, сам термин вошел в употребление лишь в 1935 г. Он был предложен английским ботаником А.Тенсли, который писал, что в экосистему входит "... не только комплекс организмов, но и весь комплекс физических факторов, образующих то, что мы называем средой биома, - факторы местообитания в самом широком смысле. Хотя главным,  интересующим нас объектом, могут быть организмы, однако, когда мы пытаемся проникнуть в самую суть вещей, мы не можем отделить организмы от их особой среды, в сочетании с которой они образуют некую физическую систему".

Биотическую и абиотическую части  экосистемы связывает непрерывный  обмен материалом - круговороты питательных  веществ, энергию для которых  поставляет Солнце. Биологическая и  физическая сферы, представленные органическими  и неорганическими соединениями, в совокупности образуют экосистему. Растения синтезируют органические соединения, используя энергию солнечного света и питательные вещества из почвы. Эти соединения служат строительным материалом, из которого растения образуют свои ткани, и источником энергии, необходимой  им для поддержания своих функций.

Для высвобождения запасенной химической энергии растения разлагают органические соединения на исходные неорганические компоненты (двуокись углерода, воду, нитраты, фосфаты и т.п.), завершая тем самым  круговорот питательных веществ.

Структура экосистемы - естественное функционально-морфологическое членение экосистемы на подсистемы и блоки, играющие в экосистеме роль "кирпичиков". В число структурных элементов входят популяции, консорции (совокупность разнородных организмов, тесно связанных между собой и зависящих от центрального члена или ядра сообщества), синузии (одноярусная группировка растений в пределах фитоценоза; совокупность популяций животных и растений, связанных между собой общими требованиями к среде обитания), ярусы растительности (расчлененность сообщества на ярусы), т.е. структуры биоценоза (фитоценоза) и структуры биогеоценоза (экосистемы). Каждая популяция одновременно входит в две структуры: в экологическую пирамиду (растениями питаются травоядные, травоядными - хищники и т.д.); в группу экологически сходных популяций, составляющих биотическое сообщество (напр. сообщество злаков на лугу). Вместе со своими неизменными спутниками - микроорганизмами, насекомыми, грибами - такие сообщества дают собрания как бы "по горизонтали" (их называют синузиями; напр., синузия мхов в лесу) и одновременно "по вертикали", на всю толщину слоя жизни в населяемой среде - это консорции. Сложение синузий (например, деревьев, кустарников, трав, мхов) и входящих в них консорций дает новый вид парцелл - биогеоценотических.

С экологической точки зрения,  в структурном составе экосистемы выделены следующие компоненты:  1) неорганические вещества (С, N, CO2, H2O и  др.), включающиеся в круговороты; 2) органические соединения (белки, углеводы, липиды, гумусовые вещества и т.д.), связывающие биотическую и абиотическую части; 3) воздушная, водная и субстратная  среда, включающая климатический режим  и другие физические факторы;  4)продуценты, автотрофные организмы, в основном зеленые растения, которые могут  производить пищу из простых неорганических веществ;  5)макроконсументы, или фаготрофы (от греч. phagos - пожиратель), - гетеротрофные организмы, в основном животные, питающиеся другими организмами или частицами органического вещества;  6) микроконсументы, сапротрофы (от греч. sapros - гнилой), деструкторы, или осмотрофы (от греч. osmos - толчок, давление), - гетеротрофные организмы, в основном бактерии и грибы, получающие энергию либо путем разложения мертвых тканей, либо путем поглощения растворенного органического вещества, выделяющегося самопроизвольно или извлеченного сапротрофами из растений и других организмов. В результате деятельности сапротрофов высвобождаются неорганические элементы питания, пригодные для продуцентов; кроме того, сапротрофы поставляют пищу макроконсументам и часто выделяют гормоноподобные вещества, ингибирующие (тормозящие) или стимулирующие функционирование других биотических компонентов экосистемы.

Для функционирования любой экосистемы необходимы следующие компоненты: солнечная  энергия (и другие виды энергии); вода; элементы питания (основные абиотические неорганические и органические соединения), содержащиеся в почвах, донных осадках и воде; автотрофные и гетеротрофные организмы, образующие биотические пищевые сети. Функционирование наземных и водных экосистем сходно, но в них входят совершенно разные виды. Кроме того, в экосистемах глубоких водоемов зеленые растения представлены очень мелкими, часто микроскопическими формами (фитопланктоном), а растения наземных и некоторых мелководных экосистем имеют крупные размеры. I - автотрофы: А - травы, В - фитопланктон; II - растительноядные животные: А - насекомые и млекопитающие лугопастбищного сообщества, В - зоопланктон в толще воды; III - детритоядные: А - почвенные беспозвоночные на суше, В - донные беспозвоночные в воде; IV - хищники: А - птицы и другие животные на суше, В - рыбы в воде; V - сапрофиты: разлагающие бактерии и грибы. Одна из общих черт всех экосистем, будь то наземные, пресноводные, морские или искусственные экосистемы (например, сельскохозяйственные), - это взаимодействие двух основных компонентов: автотрофного компонента (автотрофный - значит самопитающийся), способного фиксировать световую энергию и использовать в пищу простые неорганические вещества, и гетеротрофного компонента (гетеротрофный - значит питающийся готовыми органическими веществами), который разлагает, перестраивает и использует сложные вещества, синтезированные автотрофными организмами. Организмы, участвующие в различных процессах круговорота, частично разделены в пространстве. Автотрофные процессы наиболее активно протекают в верхнем ярусе ("зеленом поясе"), где доступен солнечный свет. Гетеротрофные процессы наиболее интенсивно протекают в нижнем ярусе ("коричневом поясе"), где в почвах и осадках накапливаются органические вещества. Кроме того, эти основные функции компонентов экосистемы частично разделены и во времени, поскольку возможен значительный временной разрыв между продуцированием органического вещества автотрофными организмами и его потреблением гетеротрофами. Например, основной процесс в пологе лесной экосистемы - фотосинтез. Лишь часть, причем малая часть, продуктов фотосинтеза немедленно и непосредственно используется самим растением, растительноядными животными и паразитами, питающимися листвой и другими активно растущими тканями растения. Большая часть синтезированного материала (листьев, древесины, запасов пищи, отложенных в семенах и корневищах) не подвергается немедленному потреблению и постепенно переходит в подстилку и почву (или соответственно в слои осадков в водных экосистемах), в сумме составляющие обособленную гетеротрофную систему. Прежде чем будет использовано все это накопленное органическое вещество, могут пройти многие недели, месяцы, годы или даже тысячелетия (в случае ископаемых видов топлива, которые сейчас быстро расходуются человеком). Органическое вещество, вовлеченное в процесс разложения, называют детритом. Термин "детрит" (продукт распада от лат. deterere - изнашиваться) заимствован из геологии, где им обычно называют продукты разрушения горных пород.

Специализация живых форм в качестве производителей и потребителей пищи создает в биологических сообществах  определенную энергетическую структуру, называемую трофической структурой (от греч. trophe - питание), в пределах которой происходят перенос энергии и круговороты питательных веществ. Перенос энергии и пищи от ее источника - автотрофов (растений) - через ряд организмов происходит по пищевой цепи: путем поедания одних организмов другими. Пищевая цепь - это ряд видов или их групп, каждое предыдущее звено в котором служит пищей для следующего. При каждом очередном переносе большая часть (80-90 %) потенциальной энергии теряется, переходя в тепло. Поэтому чем короче пищевая цепь (чем ближе организм к ее началу), тем больше количество энергии, доступной для популяции. Пищевые цепи можно разделить на два основных типа: пастбищная цепь, которая начинается с зеленого растения и идет далее к пасущимся растительноядным животным (т.е. к организмам, поедающим живые растительные клетки или ткани) и к хищникам (организмам, поедающим животных), и детритная цепь, которая от мертвого органического вещества идет к микроорганизмам, а затем к детритофагам и к хищникам. Пищевые цепи не изолированы одна от другой, а тесно переплетаются друг с другом, образуя так называемые пищевые сети.

Пищевая сеть - условное образное обозначение  трофических взаимоотношений консументов, продуцентов и редуцентов в сообществе. В сложных природных сообществах  организмы, получающие свою энергию  от Солнца через одинаковое число  ступеней, считаются принадлежащими к одному трофическому уровню.

Трофический уровень - совокупность организмов, получающих преобразованную в пищу энергию Солнца и химических реакций (от автотрофов) через одинаковое число  посредников трофической цепи, т.е. занимающих определенное положение в общей цепи питания. Так, зеленые растения занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные - второй (уровень первичных консументов), первичные хищники, поедающие травоядных, - третий (уровень вторичных консументов), а вторичные хищники - четвертый (уровень третичных консументов). Эта трофическая классификация относится к функциям, а не к видам как таковым. Популяция данного вида может занимать один или несколько трофических уровней, смотря по тому, какие источники энергии она использует. Замыкают этот биологический круговорот, как правило, редуценты или деструкторы (микроорганизмы, бактерии), разлагающие органические остатки.

Консументы - это не просто пассивные "едоки", входящие в пищевую  цепь. Они, удовлетворяя свои потребности  в энергии, часто через систему  положительной обратной связи действуют  на находящиеся выше трофические  уровни. Например, в Африке выедание растительности саванн огромными стадами антилоп, наряду с пожарами во время засушливого сезона, увеличивает скорость возврата элементов питания в почву. В последующий дождливый сезон усиливается восстановление травы и увеличивается ее продукция. Известен интересный пример воздействия консументов на продуценты морской экосистемы. Манящие крабы, питающиеся на морских маршах водорослями и детритом, несколькими способами "ухаживают" за своими кормовыми травами. Роя грунт, крабы усиливают циркуляцию воды вокруг корней травы и вносят глубоко в анаэробную зону побережья кислород и питательные вещества. Постоянно перерабатывая богатые органикой донные илы, на которых они питаются, крабы улучшают условия для роста и развития бентосных водорослей.

Трофическую структуру можно изобразить графически в виде экологических  пирамид, основанием которых служит первый уровень (уровень продуцентов), а последующие уровни образуют этажи  и вершину пирамиды.

Экологическая пирамида - это соотношение  между продуцентами, консументами и  редуцентами в естественных экосистемах, выраженное в их массе в виде графических  моделей. Эффект пирамиды в виде таких  моделей разработал Чарльз Элтон(1927). Экологические пирамиды можно отнести  к трем основным типам: 1) пирамида численностей - отражает количество отдельных организмов по трофическим цепям, причем численность  особей при движении продуцентов к консументам различного порядка значительно уменьшается;  2) пирамида биомасс - показывает соотношение различных организмов по пищевым цепям в данной экосистеме. Видно, что параметры продуцентов, как правило, выше, чем консументов различного порядка (отсюда и форма пирамиды);  3) пирамида энергии - даны величины потока энергии через последовательные трофические (пищевые) уровни, т.е. эта пирамида, отражает картину скоростей прохождения массы пищи через трофическую цепь и т.д. Все эти основные типы экологической пирамиды показывают закономерное понижение всех показателей с повышением трофического уровня живых организмов. На каждом трофическом уровне потребленная пища ассимилируется не полностью, так как значительная ее часть теряется, тратится на обмен веществ, поэтому продукция организмов каждого предыдущего уровня всегда меньше, чем последующего. В связи с этим в наземных экосистемах вес продуцентов (на единицу площади и абсолютно) больше, чем консументов, консументов первого порядка больше, чем консументов второго порядка и т.д. Поэтому графическая модель имеет вид пирамиды. В некоторых водных экосистемах, отличающихся исключительно высокой биологической продуктивностью продуцентов, пирамида биомасс может быть обращенной, то есть биомасса продуцентов в них меньше, чем консументов, а иногда и редуцентов.

2. Природные ресурсы, их виды. Основы рационального природопользования.

Природные ресурсы — компоненты природы, которые на данном уровне развития общества используются или могут  быть использованы в качестве средств  производства и предметов потребления.

Понятие «природные ресурсы» меняется с развитием науки и техники: вещества и виды энергии, использование  которых ранее было невозможно, становятся природными ресурсами.

Есть несколько классификаций  природных ресурсов:

По принадлежности к разным геосферам  природных ресурсов, выделяют ресурсы  литосферы, гидросферы, биосферы, климатические ресурсы.

По применимости их в различных  отраслях хозяйства их группируют в  энергетические, металлургические, химические природные ресурсы и др.

По возможной длительности и  интенсивности использования, их разделяют  на почерпаемые и практически  неисчерпаемые природные ресурсы, возобновляемые и не возобновляемые природные ресурсы.

Практически неисчерпаемые природные  ресурсы — это ресурсы, уменьшение которых неощутимо даже в процессе очень длительного использования: энергия солнечного излучения, ветра, морских приливов, климатические  ресурсы и др.

Почерпаемые природные ресурсы  — это ресурсы, сокращающиеся  по мере их использования; большинство  видов природных ресурсов относится  к исчерпаемым природным ресурсам, которые делятся на возобновляемые (или возобновимые) и не возобновляемые природные ресурсы.

Возобновляемые природные ресурсы  — это ресурсы, скорость восстановления которых сравнима со скоростью их расходования. К возобновляемым природным  ресурсам относятся ресурсы биосферы, гидросферы, земельные ресурсы.

Не возобновляемые природные ресурсы  — это ресурсы, не восстанавливающиеся  самостоятельно и не восстанавливаемые  искусственно. К ним относятся, главным  образом, полезные ископаемые. Процесс  рудообразования и формирования горных пород идет непрерывно, но его  скорость настолько меньше скорости извлечения полезных ископаемых из земных недр, что практически этим процессом  можно пренебречь.

Основы рационального  природопользования.

Природопользование – непосредственное или косвенное воздействие человека на окружающую среду в процессе всей его деятельности. Рациональное природопользование – планомерное, научно обоснованное преобразование окружающей среды по мере совершенствования материального производства на основе комплексного использования невозобновимых ресурсов в цикле: производство – потребление – вторичные ресурсы при условии сохранения и воспроизводства возобновимых природных ресурсов.

Изучение процессов, протекающих  в биосфере, и влияния на них  хозяйственной деятельности человека показывает, что создание экологически безотходных и малоотходных производств может уже предотвратить оскудение природных ресурсов и деградацию природной среды. Хозяйственная деятельность людей должна строиться по принципу природных экосистем, которые экономно расходуют вещество и энергию и в которых отходы одних организмов служат средой обитания для других, т. е. осуществляется замкнутый кругооборот.

Казалось бы, сегодня всем ясно, что время “покорения природы” безвозвратно прошло, и начался период глубокого, заинтересованного познания ее законов. Однако на практике объемы отходов в стране растут в два-три раза быстрее, чем объем производства и численность населения. Лавина отходов загрязняет природу, их вредные токсичные компоненты отравляют землю, воздух, реки, моря и озера. Причина кроется в сиюминутной выгоде для производства. Но разумный человек не должен считать выгодой уничтожение всего живого, “безумное прожигание” ресурсов не только своих, но и принадлежащих будущим поколениям. Следовательно, пришло время коренным образом изменить сам подход к понятию выгодности, когда речь идет о природопользовании.