Экологические системы

15

Тема №3. Экологические системы

1.      Экологическая система.

Экологическая система – биоценоз и биотоп, составляющие два нераздельных элемента, действующих друг на друга и образующих более или менее устойчивую систему. Масштабы экосистем: капля воды – пруд, лес – океан).

По определению английского ботаника А. Тенсли (1935) экосистемой называют любую устойчивую совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ.

Сообщества организмов связаны с неорганической средой материально-энергетическими связями. Растения существуют за счет постоянного поступления в них углекислого газа, воды, кислорода, минеральных солей. Гетеротрофы (животные) живут за счет автотрофов (растений), но нуждаются в поступлении неорганических соединений – кислорода и воды.

В любом конкретном местообитании запасов неорганических соединений хватило бы ненадолго, если бы эти запасы не возобновлялись. Возврат биогенных элементов в среду происходит как в течение жизни организмов так и после их смерти, в результате разложения трупов и растительных остатков.

Таким образом, сообщество образует с неорганической средой определенную систему, в которой поток атомов, вызываемый жизнедеятельностью организмов, имеет тенденцию замыкаться в круговорот.

А. Тенсли подчеркивал, что неорганические и органические факторы выступают как равноправные компоненты и мы не можем отделить организмы от конкретной окружающей их среды.

На Земле выделяют 3 типа природных экосистем:

1)       морские экосистемы (открытого океана, морских побережий, речных дельт, и т.д.);

2)       пресноводные экосистемы (реки, озера, болота);

3)       наземные экосистемы (пустыни, леса, тундры, степи, и т.д.)

2.      Биотическая структура экосистемы

Экосистема имеет определенную функциональную структуру. В нее входят группы организмов, различаемые по способу питания – автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы (самопитающие) — организмы, образующие органическое вещество своего тела из неорганических веществ посредством фотосинтеза и хемосинтеза.

Фотосинтез осуществляют фотоавтотрофы — все хлорофиллоносные (зеленые) растения и микроорганизмы.

Хемосинтез наблюдается у некоторых бактерий, использующих в качестве источника энергии окисление водорода, серы, сероводорода, аммиака, железа. Хемоавтотрофы в природных экосистемах играют относительно небольшую роль, за исключением чрезвычайно важных нитрифицирующих бактерий.

Автотрофы составляют основную массу всех живых существ и полностью отвечают за образование всего нового органического вещества в любой экосистеме, т.е. являются производителями продукции — продуцентами экосистем.

Гетеротрофы (питающиеся другими) — организмы, потребляющие органическое вещество других организмов и продуктов их жизнедеятельности. Это все животные, грибы и большая часть бактерий. В отличие от автотрофов-продуцентов гетеротрофы выступают как потребители и деструкторы (разрушители) органических веществ.

Итак, для поддержания круговорота веществ в экосистеме необходимо:

1)   наличие запаса неорганических веществ (молекул) в усвояемой форме;

2)   3 функционально различные экологические группы организмов:

      продуценты – автотрофные организмы, способные строить свое тело за счет неорганических соединений;

      консументы – гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество продуцентов или других консументов и трансфомирующие его в новые формы;

      редуценты – гетеротрофные организмы, живут за счет мертвого органического вещества, переводя его в неорганические соединения.

Классификация эта относительная, так как и консументы, и сами продуценты выступают частично в роли редуцентов, в течение жизни выделяя в окружающую среду минеральные продукты обмена веществ.

В принципе круговорот атомов может поддерживаться в системе и без промежуточного звена — консументов, за счет деятельности двух других групп. Однако такие экосистемы встречаются скорее как исключения, например на тех участках, где функционируют сообщества, сформированные только из микроорганизмов. Роль консументов выполняют в природе в основном животные.

Экосистемы в природе могут иметь самые разные масштабы. В качестве отдельных экосистем можно рассматривать, например, и подушку лишайников на стволе дерева, и разрушающийся пень с его населением, и небольшой временный водоем, луг, лес, степь, пустыню, весь океан и, наконец, всю, поверхность Земли, занятую жизнью.

3.        Биотический круговорот веществ и энергии в природных экосистемах

Организация жизни на Земле в виде экосистем является одним из необходимых условий ее существования.

Запасы биогенных элементов, из которых строят тела живые организмы, на Земле в целом и на каждом конкретном участке на ее поверхности небезграничны. Лишь система круговоротов могла придать этим запасам свойство бесконечности, необходимое для продолжения жизни. Поддерживать и осуществлять круговорот могут только функционально различные группы организмов

Таким образом, функционально-экологическое разнообразие живых существ и организация потока извлекаемых из окружающей среды веществ в циклы — древнейшее свойство жизни. Главный участник биотического круговорота – углерод, как основа органических веществ.

Круговорот углерода

Наибольшее количество углерода содержится в литосфере в виде двух больших резервуаров, имеющих разное химическое происхождение:

      в составе осадочных карбонатов, всех форм МСО3;

      в составе ископаемых топлив, большая часть которых представляет собой биогенное и биокосное вещество — фоссилизированную, т.е. погребенную и преобразованную органику (от англ, fossil — окаменелый, ископаемый) — уголь, нефть, газ, нефтеносные сланцы, битуминозные пески, асфальт.

Небольшое количество углерода содержится в литосфере в виде графита и алмазов.

В гидросфере углерод находится в основном в виде гидрокарбоната НСО3, растворенного диоксида СО2 и некоторого количества растворимой органики.

В атмосфере – в виде СО2 и относительно небольшой доли примесных газов, пыли и аэрозолей, содержащих углерод.

Вся мертвая органика, задействованная в биотическом круговороте, все формы детрита, органика почв и илов отнесены к биосфере.

Биомасса живых организмов содержит меньше 0,001% углерода Земли, но практически полностью определяет его планетарный круговорот.

Основная часть круговорота углерода происходит между биотой суши и океана и атмосферой. По сравнению с этими потоками остальные потоки малы. Но так как их действие охватывало огромные по длительности геологические эпохи, связанные с этими потоками, утечки привели к образованию гигантских масс ископаемых топлив и осадочных карбонатов.

Фоссилизация биогенного углерода, пик которой относится к каменноугольному периоду палеозойской эры (карбон — 350 — 290 млн. лет назад), в настоящее время не происходит. Идет противоположный процесс, в тысячи раз более мощный — техногенное сжигание ископаемых топлив.

Круговорот кислорода

В отличие от углерода, резервуары доступного для биоты кислорода по сравнению с его потоками огромны. Поэтому отпадает проблема глобального дефицита О2 и замкнутости его круговорота. Биотический круговорот кислорода составляет 270 Гт/год.

Кислород на Земле — первый по распространенности элемент (вес. %):

      в атмосфере — 23,1;

      в биосфере (в составе сухой органики) — 44,8;

      в литосфере — 47,2;

      в гидросфере (в составе воды) — 86,9.

Для водных организмов нужен растворенный в воде кислород. Его среднее содержание в фотическом слое гидросферы составляет 4,5 мг/л и значительно колеблется.

Содержание кислорода в атмосфере во много раз больше — 288 мг/л — и на протяжении длительной геологической эпохи постоянно. Наземные животные довольно чувствительны к отклонениям от этого уровня. Некоторый дефицит кислорода для животных и человека возникает только в высокогорье, в зонах интенсивного потребления и в искусственных устройствах. Биота биосферы, сыгравшая решающую роль в оксигенизации атмосферы, подвела его концентрацию в воздухе до черты, за которой уровень окислительной способности среды становится уже опасным для биоты.

С круговоротом кислорода тесно связано образование озона. В высоких слоях атмосферы под влиянием жесткой ультрафиолетовой части солнечного спектра происходит ионизация и диссоциация части молекул кислорода, образуется атомарный кислород, который немедленно присоединяется к возбужденным молекулам кислорода, образуя озон — трехатомный кислород:

На образование озона тратится около 5 % поступающей к Земле солнечной энергии — около 8,6∙1015 Вт. Реакции легко обратимы. При распаде озона эта энергия выделяется, за счет чего в верхних слоях атмосферы поддерживается высокая температура. Средняя концентрация озона в атмосфере составляет около 10-6 объемных процентов; максимальная концентрация О3 — до 4∙10-6 объемных процентов достигается на высотах 20 — 25 км.

Поглощая при своем образовании значительную часть жестких ультрафиолетовых лучей, озон играет большую защитную роль для всей экосферы.

Говоря о круговоротах веществ в экосистемах, необходимо еще раз подчеркнуть, что вынос вещества (для некоторых экосистем) за их пределы настолько велик, что их стабильность поддерживается в основном за счет притока такого же количества вещества извне, тогда как внутренний круговорот малоэффективен. Таковы проточные водоемы, реки, ручьи, участки на крутых склонах гор. Другие экосистемы имеют значительно более полный круговорот веществ и относительно автономны (леса, луга, озера и т. п.). Но (!) ни одна, даже самая крупная экосистема Земли не имеет полностью замкнутого круговорота веществ. Материки обмениваются веществом с океанами, литосферой (при большом участии в этих процессах атмосферы), а вся наша планета часть материи и энергии получает из космоса, а часть отдает в космос.

Поток энергии через экосистемы.

В конечном счете, вся жизнь на земле существует за счет энергии солнечного излучения, которая переводится фотосинтезирующими организмами в химическую энергию органических соединений:

Синтезируемое и распадающееся (окисляемое) органическое вещество представлено в реакции углеводом (CH2O)n. Это может быть глюкоза (п = 6) или самое распространенное органическое вещество биосферы целлюлоза (п > 1800), но в реальном процессе — множество различных органических веществ, включающих и другие химические элементы. Их окисление дает энергию для различных физиологических и биохимических процессов.

Количества поглощенной и выделенной энергии в реакции равны: ΔGi = ΔHe ≈ 478 кДж/моль. Общий множитель n определяет масштаб преобразований вещества и энергии в экосистеме. Прямая реакция полностью, а обратная на 80—90% обеспечиваются растениями. Остальное количество органического вещества потребляется гетеротрофными организмами — животными, грибами, бактериями — и расходуется в процессе их дыхания.

Уравнение описывает идеальный случай для экосистемы, замкнутой по веществу, для биосферы в целом. В реальных локальных экосистемах равенство прямой и обратной реакции, как правило, нарушено из-за обмена участниками реакции (переноса воды, газов и органики) с другими системами.

Принципиальное различие между потоками вещества и энергии в экосистеме заключается в том, что биогенные элементы, составляющие органическое вещество, могут многократно участвовать в круговороте веществ, тогда как поток энергии однонаправлен и необратим. Каждая порция энергии используется только однократно. В соответствии со вторым началом термодинамики на каждом этапе переноса и трансформации энергоносителей обязательно происходит сток части энергии: значительная ее часть неизбежно теряется, рассеивается в виде теплоты.