Поток энергии в экосистемах

Пищевые связи в сообществах – это механизмы передачи энергии от одного организма к другому – цепи питания.

Место каждого звена в цепи питания называют трофическим уровнем.

Динамика экосистемы. Сукцессия: определение, причины, виды. Сукцессионные ряды. Климакс. Эвтрофикация водоема. Дигрессии. Катаценоз. Стабильность и устойчивость экосистем. Понятие экологического равновесия, экологического напряжения, экологического кризиса, экологической катастрофы. Причины нарушения экологического равновесия.

Динамика экосистемы.Поступательные изменения в сообществе приводят к смене этого сообщества другим, с иным набором господствующих видов. Возникающие при этом смены одного биоценоза другим называют экзогенетическими. Эндогенетические смены возникают в результате процессов, происходящих внутри самого сообщества. Закономерный направленный процесс изменения сообществ в результате взаимодействия живых организмов между собой и окружающей их абиотической средой называют сукцессией.

Сукцессия(от лат. successio– преемственность, наследование) – это процесс саморазвития сообществ. Пример сукцессии: озеро → зарастающее озеро →болото → торфяник → лес.

Различают следующие формы сукцессий:

– первичные – возникают на ранее незаселенных территориях (например, на незадернованных песках, скалах); биоценозы, первоначально формирующиеся в таких условиях, называются пионерными сообществами;

– вторичные – возникают в нарушенных местообитаниях (например, после пожаров, на вырубках);

– обратимые – возможен возврат к ранее существовавшей экосистеме (например, березняк → гарь → березняк → ельник);

– необратимые – возврат к ранее существовавшей экосистеме невозможен (например, уничтожение реликтовых экосистем; реликтовая экосистема – это экосистема, сохранившаяся от прошлых геологических периодов);

– антропогенные – возникающие под воздействием человеческой деятельности.

Накопление органического вещества и энергии на трофических уровнях приводит к повышению устойчивости экосистемы. В ходе сукцессии в определенных почвенно-климатических условиях формируются окончательные климаксные сообщества. В климаксных сообществах весь прирост биомассы трофического уровня расходуется на образование вторичной продукции. Такие экосистемы могут существовать бесконечно долго. В любой сукцессионной серии темпы происходящих изменений постепенно замедляются.

Начальные, пионерныегруппировки видов отличаются наибольшей динамичностью и неустойчивостью. Климаксная стадия развития северных лесных экосистем – ельник.

Сукцессионный ряд – цепь сменяющих друг друга биоценозов.

Вековые смены экосистем – сукцессии, отражающие историю развития Земли (послеледниковый период, формирование экосистем Каракумов после отступления Арала).

Эволюционная сукцессия – вымирание одних видов и размножение, адаптация и изменение других видов на месте прежних.

Правило увеличения замкнутости биогеохимического круговорота веществ в ходе сукцессии Бормана-Патэна – десятилетний цикл уменьшения разомкнутости круговоротов со 100 до 10% по мере восстановления растительного покрова.

Правило сукцессионного мониторинга – чем глубже нарушенность среды какого-нибудь пространства, тем на более ранних фазах оканчивается сукцессия.

Флюктуация – колебание, случайное отклонение величины от ее среднего значения.

Эвтрофикация водоема - процесс ухудшения качества воды из-за избыточного поступления в водоем так называемых «биогенных элементов», в первую очередь соединений азота и фосфора. Это природный процесс, связанный с постоянным смывом в водоемы биогенных элементов с территории водосборного бассейна. Интенсивность этого процесса увеличилась многократно из-за сброса в водоемы коммунально-бытовых стоков, стоков с животноводческих ферм и предприятий пищевой промышленности, а также из-за смыва избыточно внесенных удобрений с полей.Механизм: 1) бурное развитие водных растений - в результате прозрачность воды резко снижается, глубина проникновения солнечных лучей уменьшается, далее гибель донных растений от недостатка света 2) уменьшение содержания кислорода в воде 3) увеличение омертвевшей массы и ее разложение 4) анаэробный распад с образованием фенолов, сероводорода и метана и уничтожение большей части флоры и фауны водоема.

Дигрессия - ухудшение состояния экосистем из-за внешних (экзогенных) или внутренних (эндогенных) причин. Различают дигрессии: экзодинамическая (при длительном затоплении, вторичном засолении и т.п.), антроподинамическая (сенокосная, пастбищная или перевыпас) и эндодинамическая (напр., при биогенном засолении поверхности почвы). Противоположный дигрессии процесс - демутация.

Катаценоз - финальная стадия деградации биогеоценоза, характеризующаяся резким сокращением числа сохранившихся видов и резким ухудшением качеств биотопа. При перетравливании полынных пастбищ (дальнейший процесс ведет к полному сбою пастбища).

Стабильность и устойчивость экосистем. Стабильность - постоянство параметров экосистемы в течение неопределенно долгого времени. Способ­ность экосистем сохранять свою структуру и функциональные свой­ства при воздействии внешних факторов. Она обеспечивается, как правило, постоянством внешних условий. Активную реакцию на изменение внешних условий (антропогенное воздействие) характеризует устойчивость экосистемы, как ее способность возвращаться в исход­ное (или близкое к нему) состояние после воздействия факторов, выводящих ее из равновесия. Эти качества тем значительнее, чем разно­образнее экосистемы. Данное положение формулируется как закон: разнообразие - сино­ним устойчивости (автор Эшби). Тундровые и пустынные, антропогенные экосистемы рассматриваются как малоустойчивые (не­стабильные), а тропические леса, максимально богатые по видо­вому составу, - как самые устойчивые (стабильные). Устойчивость и стабильность экосистем за­висят от структуры самих сообществ (например, их разнообразия), а также от биолого-экологических свойств видов-эдификаторов и доминантов, слагающих эти сообщества.

Экологическое равновесие - количественное и качественное соотношение естественных и измененных человеком экологических компонентов и природных процессов, приводящее к длительному существованию экосистемы данного вида или ее эволюцию в ходе сукцессии.

Экологическое напряжение - экологическая ситуация с существенными изменениями окружающей среды, например, выражающаяся в потере 5-30% общей площади сельхозугодий. Так, после аварии на Чернобыльской АЭС территории с экологической напряженностью имели поверхностное радиоактивное загрязнение в пределах 5 - 15 Ки/км².

Экологический кризис - это обратимое изменение равновесного состояния природных комплексов. Выделяют следующее:

1. Изменение среды обитания живых существ, вызвавшее возникновение прямоходящих антропоидов — непосредственных предков человека.

2. Кризис относительного обеднения доступных примитивному человеку ресурсов промысла и собирательства, обусловившего стихийные биотехнические мероприятия типа выжигания растительности для лучшего и более раннего роста.

3. Первый антропогенный экологический кризис — массовое уничтожение (перепромысел) крупных животных («кризис консументов»), связанный с последовавшей за ним сельскохозяйственной экологической революцией.

4. Экологический кризис засоления почв и деградация примитивного поливного земледелия, недостаточность его для растущего народонаселения Земли, что привело к преимущественному развитию неполивного земледелия.

5. Экологический кризис массового уничтожения и нехватки растительных ресурсов, или «кризис продуцентов», связанный с общим бурным развитием производительных сил общества, вызвавший широкое применение минеральных ресурсов, промышленную, а в дальнейшем и научно-техническую революцию.

6. Современный кризис угрозы недопустимого глобального загрязнения. Редуценты не успевают очищать биосферу от антропогенных продуктов или потенциально не способны это сделать в силу неприродного характера выбрасываемых синтетических веществ. Этот кризис называют «кризисом редуцентов», которому соответствует высший этап научно-технической революции — реутилизация продуктов и условное замыкание технологических циклов.

Экологическая катастрофа - необратимое явление, это фазы развития биосферы, где происходит качественное обновление живого вещества, например вымирание одних видов и возникновение других.

Причины нарушения экологического равновесия - нерациональная эксплуатация невозобновляемых природных ресурсов (источников сырья и энергии); загрязнение биосферы вредными отходами; большая концентрация хозяйственных объектов и урбанизация, оскудение природных пейзажей и сокращение свободных территорий; резкое уменьшение биологического разнообразия и др.

Тема 4. БИОСФЕРА и ГЛОБАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

обязательная часть содержания лекциИ

Учение В.И. Вернадского о биосфере. Живое, косное, биогенное и биокосное вещество. Свойства и функции живого вещества. Современное понимание биосферы как глобальной экосистемы (экосферы). Структура биосферы: аэробиосфера, гидробиосфера, литобиосфера, террабиосфера.

Стабильность и развитие (эволюция) биосферы. Закон необходимого разнообразия У.Р.Эшби. Закон глобального круговорота веществ. Малый (биологический) и большой (биосферный) круговорот веществ. Закон однонаправленного потока энергии. Учение В.И. Вернадского о ноосфере.

Глобальные проблемы окружающей среды. Загрязнение окружающей природной среды (ОПС): сущность и классификация форм и видов. Химическое, токсическое, радиоактивное, биологическое загрязнения. Загрязнения околоземного космического пространства, атмосферного воздуха, земной поверхности, мирового океана. Проблема «чистой воды». Загрязнители и их классификация.

Учение В.И. Вернадского о биосфере. Живое, косное, биогенное и биокосное вещество. Свойства и функции живого вещества. Современное понимание биосферы как глобальной экосистемы (экосферы). Структура биосферы: аэробиосфера, гидробиосфера, литобиосфера, террабиосфера.

Термин «биосфера» использовал в 1875 г. австрийский геолог Эдуард Зюсс для обозначения оболочки Земли, населяемой живыми организмами.

Биосферой В. И. Вернадский назвал ту область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно подвергается или подвергалась воздействию живых организмов.

Он подчеркивал, что живое вещество – самая активная форма материи во Вселенной. Оно производит гигантскую геохимическую работу в биосфере, полностью преобразовав верхние оболочки Земли за время своего существования.

Выделил в составе биосферы 7 типов веществ: живое вещество, биогенное вещество (ископаемое горючее, известняки), косное вещество (изверженные горные породы), биокосное вещество (почва), радиоактивное вещество, рассеянные атомы и вещество космического происхождения.

Всю совокупность организмов на планете В. И. Вернадский назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию.

Косное вещество – это совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют.

Биогенное вещество создается и перерабатывается жизнью, совокупностями живых организмов.

Биокосное вещество – «создается в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя системы динамического равновесия тех и других».

Функции живого вещества в биосфере разнообразны:

– Энергетическая – аккумуляция солнечной энергии в ходе фотосинтеза; за счет солнечной энергии протекают все жизненные явления на Земле.

– Газовая– состав современной атмосферы (в частности, содержание кислорода и углекислого газа) сложился, в значительной мере, под воздействием жизнедеятельности организмов.

– Концентрационная – в результате жизнедеятельности организмов сложились все виды ископаемого топлива, многих руд, органическое вещество почвы и т.д.

– Окислительно-восстановительная – в ходе жизнедеятельности живых организмов постоянно протекают окислительно-восстановительные реакции, обеспечивающие круговорот и постоянные превращения углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора, серы, железа и других элементов.

– Деструкционная – в результате разрушения погибших организмов и продуктов их жизнедеятельности происходит превращение живого вещества в косное, биогенное и биокосное.

– Средообразующая – организмы различным образом преобразуют физико-химические факторы среды.

– Транспортная – перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении.