Круговороты биогенных элементов и их модификация

Количество неорганических веществ, из которых автотрофы создают органические вещества в биосфере конечно, но оно приобрело свойство бесконечности через круговороты веществ.

Круговорот веществ – многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере, литосфере в том числе и в тех их частях, которые входят в состав биосферы.

Основных круговоротов веществ в природе 2: большой (геологический) и малый (биохимический).

Большой (геологический) круговорот веществ в природе обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.

Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму – источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы (рис. 6.7. стр. 162). Процесс происходит по спирали, т.е. новый цикл круговорота не повторяет в точности предыдущий, а вносит что-то новое, что со временем приводит к значительным изменениям.

К большому круговороту относится и круговорот воды между сушей и океаном, через атмосферу.

Малый (биохимический) круговорот веществ в природе, в отличие от большого, совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения.

Данный круговорот для жизни биосферы главный. Он является порождением жизни и поддерживается живым веществом.

Главным источником энергии круговорота является солнечный свет, который обеспечивает фотосинтез. Эта энергия неравномерно распределяется по поверхности земного шара. Например, на экваторе, количество тепла на единицу поверхности в 3 раза больше, чем на архипелаге Шпицберген (800 с.ш.). В зависимости от типа переноса вещества и энергии в экосистемах выделяют 2 вида малого круговорота.

1. Биологический – перенос вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических связей (пищевых цепей) (рис. 5.1. стр. 119).

Он предполагает замкнутый цикл веществ, многократно используемых трофической цепью и имеет место в водных экосистемах, особенно в планктоне с его активным метаболизмом. Но в наземных экосистемах он невозможен, за исключением дождевых тропических лесов, где может быть обеспечена передача питательных веществ от растения к растению.

В масштабах биосферы такой круговорот невозможен. Здесь действует другой круговорот.

2.Биогеохимический – обмен микро- и макроэлементов и простых неорганических веществ (СО2, Н2О) с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы.

Круговорот отдельных веществ В.И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть цикла в том, что химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходят в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм и т.д. Такие элементы называются биофильными (биогенными). Данные элементы или их соединения необходимы для жизнедеятельности организмов, их роста, размножения.

Элементы, необходимые организмам в больших количествах носят название макробиогенные элементы. Это основные – С, N, O, H, и не основные – Ca, Mg, Na, Cl, K.

Остальные элементы называются микробиогенными. Это Fe, Co, I, F, CU, Br, Se, Si, B и др. Отсутствие или недостаток микробиогенных элементов ведет к заболеваниям организмов. Большинство элементов на Земле находятся в таком состоянии, что они не могут использоваться живыми организмами прямо, но в процессе круговорота происходит преобразование их в те формы, которые могут быть использованы живыми организмами. Соединения биогенных элементов, необходимых организму называются питательными веществами. Это:

· органические вещества (белки, жиры, углеводы, витамины);

· неорганические вещества (вода, минеральные соли, СО2).

Наибольшее значение имеют круговороты воды, углерода, кислорода, водорода, азота, фосфора и

22. Экологические пирамиды — это графические модели (как правило, в виде треугольников), отражающие число особей (пирамида чисел), количество их биомассы (пирамида биомасс) или заключенной в них энергии (пирамида энергии) на каждом трофическом уровне и указывающие на понижение всех показателей с повышением трофического уровня.

Различают три типа экологических пирамид.

Пирамида чисел

Пирамида чисел (численностей) отражает численность отдельных организмов на каждом уровне. В экологии пирамида численностей используется редко, так как из-за большого количества особей на каждом трофическом уровне очень трудно отобразить структуру биоценоза в одном масштабе.

Чтобы уяснить, что такое пирамида чисел, приведем пример. Предположим, что в основании пирамиды 1000 т травы, массу которой составляют сотни миллионов отдельных травинок. Этой растительностью смогут прокормиться 27 млн кузнечиков, которых, в свою очередь, могут употребить в пищу около 90 тыс. лягушек. Сами лягушки могут служить едой 300 форелям в пруду. А это количество рыбы может съесть за год один человек! Таким образом, в основании пирамиды несколько сотен миллионов травинок, а на ее вершине — один человек. Такова наглядная потеря вещества и энергии при переходе с одного трофического уровня на другой.

Иногда случаются исключения из правила пирамид, и тогда мы имеем дело сперевернутой пирамидой чисел. Это можно наблюдать в лесу, где на одном дереве живут насекомые, которыми питаются насекомоядные птицы. Таким образом, численность продуцентов меньше, нежели консументов.

Пирамида биомасс

Пирамида биомасс - соотношение между продуцентами и консументами, выраженное в их массе (общем сухом весе, энергосодержании или другой мере общего живого вещества). Обычно в наземных биоценозах общий вес продуцентов больше, чем консументов. В свою очередь, общий вес консументов первого порядка больше, нежели консументов второго порядка, и т.д. Если организмы не слишком различаются по размерам, то на графике, как правило, получается ступенчатая пирамида с сужающейся верхушкой.

Американский эколог Р. Риклефс объяснял структуру пирамиды биомасс так: «В большинстве наземных сообществ пирамида биомасс сходна с пирамидой продуктивности. Если собрать все организмы, обитающие на каком-нибудь лугу, то вес растений окажется гораздо больше веса всех прямокрылых и копытных, питающихся этими растениями. Вес этих растительноядных животных в свою очередь будет больше веса птиц и кошачьих, составляющих уровень первичных плотоядных, а эти последние также будут превышать по весу питающихся ими хищников, если таковые имеются. Один лев весит довольно много, но львы встречаются столь редко, что вес их, выраженный в граммах на 1 м², окажется ничтожным».

Как и в случае с пирамидами чисел, можно получить так называемуюобращенную (перевернутую) пирамиду биомасс, когда биомасса продуцентов оказывается меньше, чем консументов, а иногда и редуцентов, и в основании пирамиды находятся не растения, а животные. Это касается в основном водных экосистем. Например, в океане при довольно высокой продуктивности фитопланктона общая масса его в данный момент может быть меньше, чем у зоопланктона и конечного потребителя-консумента (киты, крупные рыбы, моллюски).

Пирамида энергии

Пирамида энергии отражает величину потока энергии, скорость прохождения массы пищи через пищевую цепь. На структуру биоценоза в большей степени оказывает влияние не количество фиксированной энергии, а скорость продуцирования пищи.

Все экологические пирамиды строятся по одному правилу, а именно: в основании любой пирамиды находятся зеленые растения, а при построении пирамид учитывается закономерное уменьшение от ее основания к вершине численности особей (пирамида чисел), их биомассы (пирамида биомасс) и проходящей через пищевые цени энергии (пирамида энергии).

В 1942 г. американский эколог Р. Линдеман сформулировал закон пирамиды энергии, согласно которому с одного трофического уровня на другой через пищевые цени переходит в среднем около 10 % энергии, поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды. Остальная часть энергии тратится на обеспечение процессов жизнедеятельности. В результате процессов обмена организмы теряют в каждом звене пищевой цепи около 90 % всей энергии. Следовательно, для получения, например, 1 кг окуней должно быть израсходовано приблизительно 10 кг рыбьей молоди, 100 кг зоопланктона и 1000 кг фитопланктона.

Общая закономерность процесса передачи энергии такова: через верхние трофические уровни энергии проходит значительно меньше, чем через нижние. Вот почему большие хищные животные всегда редки, и нет хищников, которые питались бы, к примеру, волками. В таком случае они просто не прокормились бы, настолько волки немногочисленны.

23. УСТОЙЧИВОСТЬ ЭКОСИСТЕМЫ

УСТОЙЧИВОСТЬ ЭКОСИСТЕМЫ

способность экосистемы к реакциям, пропорциональным по величине силе воздействия, которые гасят этивоздействия. При этом в экосистеме возбуждаются компенсационные (отрицательные) обратные связи, чторавноценно выполнению принципа Ле Шателье. При превышении некоторой критической величинывоздействия экосистема теряет устойчивость, возникают положительные обратные связи, которые могутпривести к её разрушению. Син.: Живучесть экосистемы, Жизнестойкость экосистемы.

Экологический словарь, 2001

Устойчивость экосистемы

способность экосистемы к реакциям, пропорциональным по величине силе воздействия, которые гасят этивоздействия. При этом в экосистеме возбуждаются компенсационные (отрицательные) обратные связи, чторавноценно выполнению принципа Ле Шателье. При превышении некоторой критической величинывоздействия экосистема теряет устойчивость, возникают положительные обратные связи, которые могутпривести к её разрушению. Син.: Живучесть экосистемы, Жизнестойкость экосистемы.

По современным представлениям, устойчивость экосистем определяется стабильностью структуры, параметров состояния и, главное, течением процесса трансформации вещества и энергии, определяющего рост и развитие особей, продуктивность и динамику численности популяций, экологические сукцессии и эволюцию. Стратегия рационального природопользования и поддержания устойчивости биосферы должна быть направлена на сохранение относительной стабильности течения этого процесса. Известно, что лесные экосистемы, как всякие открытые сложные динамические биосистемы, чётко реагируют на все изменения природных условий и, в особенности, на воздействие абиотических факторов, привносимых обычно хозяйственной деятельностью. Отзывчивость их определяется природой экосистем, структурой, составом слагающих их элементов, сложившимся уровнем связей между частями системы. Устойчивость лесных биогеоценозов обеспечивают разнообразие видов, их жизненное состояние, популяционная структура биоты, условия местообитания (богатство почв, их гидротермические и биохимические свойства) . Вся эта совокупность свойств интегрально отражается типом леса, точнее, типом лесного БГЦ.

Устойчивость – главное свойство биологических систем. Оно характеризует их способность к сохранению в нестабильной среде неограниченно долгое время важнейших свойств своей структуры, приобретённых в результате длительной самоорганизации и исторического эволюционного отбора. Наличие в природе явления устойчивости служит гарантией существования истинных (полночленных) сообществ живых организмов. Благодаря закону устойчивости возможна подлинная адаптация популяций лесных видов в рамках лесных биогеоценозов (БГЦ) и исторически длительное их существование, то есть устойчивое существование устоявшихся климаксовых и предклимаксовых экосистем БГЦ в условиях изменяющейся среды. Ни один индивид, ни один отдельный организм, ни одна популяция не может жить и эволюционировать вне БГЦ, вне экосистемы. Лишь полночленный БГЦ обладает полной структурно-функциональной организацией и истинной устойчивостью, то есть способностью к сохранению своих основных черт и прогрессивному развитию. Только полночленный БГЦ может выполнять требуемую задачу

Биосфера

Материал из GeoWiki - открытой энциклопедии по наукам о Земле.

Биосфе́ра — совокупность частей земной оболочки (лито, гидро и атмосфера), которая заселена живыми организмами, находится под их воздействием и занята продуктами их жизнедеятельности. Это активная оболочка Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимическая сила планетарного масштаба.

Биосфера - оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов. Понятие «биосферы как области жизни» и наружной оболочки Земли восходит к биологу Ламарку (1744–1829). Сам термин биосфера ввел Э.Зюсс (1875), понимавший ее как тонкую пленку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющую «лик Земли». Заслуга же создания целостного учения о биосфере принадлежит В. И. Вернадскому. На формирование его биосферного мышления большое влияние оказали работы В. В. Докучаева о почве как о естественно-историческом теле.

Биосфера охватывает часть атмосферы до высоты озонового экрана (20–25 км), часть литосферы, особенно кору выветривания, и всю гидросферу. Нижняя граница опускается в среднем на 2–3 км под поверхность суши и на 1–2 км под дно океана. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил семь разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ: живое вещество, биогенное вещество (горючие ископаемые, известняки и др., т. е. вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами), косное вещество (образуется в процессах, в которых живые организмы не участвуют), биокосное вещество (создается одновременно живыми организмами и в ходе процессов неорганической природы, например почва), радиоактивное вещество, рассеянные атомы и вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль).

Биосфера состоит из тропосферы - нижней части воздушной оболочки Земли (атмосферы), водной оболочки (гидросферы) и верхней части (на глубину 2-3 км) твердой оболочки (литосферы).

Биосфера или сфера жизни Земли не занимает обособленного положения, а располагается в пределах других оболочек, охватывая гидросферу, тропосферу и верхнюю часть земной коры — её приповерхностный и почвенный слои. Живые организмы встречаются и ниже почвенного слоя — в глубоких трещинах, пещерах, подземных водах и даже в нефтеносных слоях на глубине в сотни и тысячи метро