Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Сравнение природной и антропогенной экосистемы

Главные экосистемы суши, такие как леса, степи и пустыни, называются наземными экосистемами, или биомами (рис.3.1). Основные различия между экосистемами в разных регионах мира определяются разными соотношениями средней температуры и испарения. Экосистемы гидросферы называются водными экосистемами. Примерами таких экосистем являются пруды, озера, реки, открытый океан, коралловые рифы и др. Главные показатели различия этих систем – количество растворенных питательных веществ в воде, соленость, глубина проникновения солнечных лучей, средняя температура воды.

Между экосистемами нет четких границ, как правило, одна экосистема плавно переходит в другую. Переходная зона между двумя смежными экосистемами называется экотоном. Экотон включает в себя представителей видов растений, животных и деструкторов обеих смежных экосистем, а также нередко такие виды живых организмов, которые не встречаются в данных экосистемах. В результате экотон обладает большим разнообразием организмов, чем близлежащие территории.

§ 3.2.Трофическая структура экологических систем.

Каждая экологическая система имеет собственное материально-энергетическое обеспечение и определенную структуру, основанную на пищевых (трофических) взаимоотношениях (рис.3.2.). В экологическую систему входит несколько групп организмов, каждая из которых выполняет определенную работу в круговороте веществ. Живые организмы в экосистемах в зависимости от способа питания делятся на автотрофов и гетеротрофов.

Автотрофы экосистемы (самопитающиеся) - это организмы, производящие органические соединения из неорганических посредством процессов фотосинтеза и хемосинтеза. Фотосинтез осуществляют фотоавтотрофы – все растения и водоросли, содержащие хлорофилл и ряд микроорганизмов. Хемосинтез осуществляют некоторые почвенные и водные бактерии, которые используют в качестве источника энергии не солнечный свет, а ферментативное окисление ряда веществ – водорода, серы, сероводорода, аммиака, железа. Например, в некоторых районах дна океана гидротермальные выходы служат источником огромных количеств горячей соленой морской воды и сероводорода. В абсолютной темноте, в условиях высоких температур серобактерии путем хемосинтеза преобразуют неорганический сероводород в необходимые им органические вещества. Огромное экологическое значение имеют хемосинтезирующие организмы в глубоководных экосистемах, там, где отсутствуют растения, т.к. туда не проникает солнечный свет.

Зеленые растения и водоросли создают необходимые органические вещества в процессе фотосинтеза. Этот процесс начинается с поглощения солнечной энергии пигментом растений хлорофиллом, который придет им зеленый цвет. Растения используют солнечную энергию для получения углеводородов (глюкозы, крахмала, целлюлозы) из углекислого газа, который они получают из атмосферы и воды, полученной из почвы или окружающих их источников воды. В процессе фотосинтеза выделяется кислород, являющийся побочным продуктом фотохимической реакции. Таким, образом, процесс фотосинтеза заключается в преобразовании лучистой энергии Солнца в химическую энергию, хранящуюся в сложных молекулярных структурах глюкозы и других углеводородов.

Только автотрофы способны сами производить для себя пищу. Более того, в экосистемах они выполняют функцию производства органических соединений, которые служат пищей для всех других организмов экосистемы, т.е. автотрофы являются продуцентами экологических систем.

Гетеротрофы (питающиеся другими) - организмы, потребляющие готовое органическое вещество других организмов и продуктов их жизнедеятельности. К гетеротрофам относятся все животные, грибы и большая часть бактерий. В зависимости от выполняемых в экосистеме функций гетеротрофы делятся на консументов и редуцентов.

Гетеротрофы, выполняющие в экосистеме функцию потребления органических веществ, называются консументами (потребителями) экосистемы. В зависимости от источников питания консументы подразделяются на следующие группы:

· Фитофаги (растительноядные) – это организмы, питающиеся исключительно растительной пищей (примеры: заяц, кузнечики и т.д.). Они являются консументами 1-го порядка.

· Зоофаги (плотоядные, хищники) – это организмы, питающиеся растительноядными животными (их называют консументами 2-го порядка) и организмы, питающиеся плотоядными животными (их называют консументами 3-его порядка).

· Эврифаги (всеядные) – это организмы, которые могут поедать как растительную, так и животную пищу. Примерами являются свиньи, крысы, тараканы, человек и др. Эврифаги могут быть консументами 1-го, 2-го и 3-го порядка.

· Паразиты - организмы, живущие за счет веществ организма-хозяина. Они могут вызвать заболевания и даже гибель организма-хозяина. К паразитам относятся не только животные (черви, насекомые и др.), но и растения, (например, повилика).

· Симбиотрофы – организмы, живущие за счет веществ организма-хозяина, но в отличие от паразитов, выполняющие жизненно важные для хозяина функции. К симбиотрофам относятся мицеливые грибы, участвующие в корневом питании многих растений, клубеньковые бактерии бобовых, связывающие молекулярный азот.

· Детритофаги или сапрофаги – животные, питающиеся мертвым органическим веществом – остатками растений и животных, продуктами жизнедеятельности животных. Организмы, питающиеся детритом, используют заключенную в нем энергию органических веществ. Детритофаги являются санитарами экологических систем. Примерами детритофагов являются крабы, шакалы, дождевые черви, грифы.

Большая часть мертвой материи в экосистеме, особенно мертвые древесные породы и листья не потребляется детритофагами, а проходят стадии разложения и гниения, в результате чего сложные органические молекулы распадаются на более простые неорганические соединения. Этот процесс осуществляется редуцентами экосистемы. К редуцентам относятся грибы и микроскопические одноклеточные бактерии, которые в свою очередь являются источником пищи для других организмов. Редуценты – это организмы, очищающие природную среду от органических отходов путем разрушения органических соединений до неорганических веществ, которые вновь используются продуцентами для синтеза органических соединений в процессе фотосинтеза.

Все названные группы организмов в любой экосистеме тесно взаимодействуют между собой, согласуя потоки энергии и вещества. Их совместное функционирование не только поддерживает структуру и целостность биоценоза, но и оказывает существенное влияние на абиотические компоненты экосистемы. Если по какой-то причине происходит нарушение структуры экосистемы, исчезает группа организмов, вид, то по закону цепных реакций может сильно измениться или даже разрушиться все сообщество.

Ярким примером тому являются события, произошедшие в 1955 году в Северном Борнео (ныне Бруней). В 1955 году там была зарегистрирована эпидемия малярии (болели девять из каждых десяти жителей). Представители Всемирной Организации Здравоохранения пришли к выводу о необходимости применения диелдрина (инсектицида схожего с печально известным ДДТ) для борьбы с комарами – переносчиками малярии. Результат превзошел все ожидания: болезнь была побеждена. К тому же от диелдрина погибли другие насекомые, включая мух и тараканов. Жители острова были рады этим последствиям, не подозревая о том, что ждет их впереди. Вслед за насекомыми погибли мелкие ящерицы, наевшись мертвых или ослабленных насекомых (концентрация диелдрина в итоге для ящериц оказалась смертельной). Вслед за ящерицами погибли кошки, наевшись отравленных ящериц. В отсутствии кошек размножились крысы. Полчища крыс совершали набеги на деревушки местных жителей. Теперь им угрожала чума, переносчиками которой, являются блохи, живущие на крысах. Ситуацию удалось взять под контроль, когда ВОЗ сбросила на парашютах здоровых кошек. В довершение всех бед начали рушиться крыши домов. От диелдрина погибли осы и другие насекомые, питавшиеся гусеницами, которые либо избегли, либо не подвержены действию инсектицидов. Поскольку большая часть их хищников была уничтожена, резко возросла численность популяции гусениц. Личинки проедали ходы в своем любимом лакомстве – листьях, которые использовали как материал для кровли крыш.

В конце концов, случай на Борнео закончился хорошо: и малярию, и неожиданные последствия распыления инсектицида удалось сдержать. Но он показывает, какими неожиданными результатами может закончиться вмешательство человека в экосистемы.

§ 3.3.Пищевые цепи и потоки энергии в экосистемах

Жизнь на Земле существует за счет солнечной энергии. Благодаря солнечной энергии растения синтезируют органические соединения, которыми питаются травоядные животные, травоядными питаются хищники. Т.е. растения «кормят» весь живой мир, солнечная энергия, аккумулированная в химических веществах синтезированных растениями, передается всем живым организмам. Процесс передачи энергии от одних организмов другим организмам осуществляется по пищевой (трофической) цепи. Примером длинной пищевой цепи может служить последовательность обитателей арктического моря: «микроводоросли (фитопланктон) → мелкие растительноядные ракообразные (зоопланктон) → планктонофаги (черви, ракообразные, моллюски, иглокожие) → рыбы (возможны 2-3 звена последовательности хищных рыб) → тюлени → белый медведь. Цепи питания в наземных экологических системах обычно короче, например, лишайник → олень → волк (см. рис.3.3.).

Место каждого звена в пищевой цепи называется его трофическим уровнем. Все организмы, пользующиеся одним типом пищи, принадлежат к одному трофическому уровню. Все продуценты относятся к первому трофическому уровню, все растительноядные животные (консументы 1-го порядка) ко второму трофическому уровню и т.д.

В экологических системах существует два вида пищевых цепей: пастбищные и детритные. Пастбищные цепи всегда начинаются с живых фотосинтезирующих растений. Например, сок розового куста→тля→божья коровка→паук→насекомоядная птица→хищная птица. Детритные цепи начинаются с остатков отмерших растений, трупов и экскрементов животных. Например, мертвое животное→личинки падальных мух→травяная лягушка→обыкновенный уж.

Как правило, организмы природных экосистем вовлечены в сложную сеть многих связанных между собой пищевых цепей. Такая сеть называется пищевой сетью. Пример пищевой сети представлен на рис.3.2.

Солнце дарит Земле колоссальное количество энергии. Достигающее биосферы излучение несет энергию около 2,5 *10²⁴ Дж в год. И только порядка 1 % от общего количества энергии, поступающей от Солнца к Земле, используется растениями в процессе фотосинтеза. Дальнейшая судьба этой энергии, заключенной в химических соединениях зависит от передачи ее по пищевой цепи (см. рис.3.4.).

С каждым переходом из одного трофического уровня в другой в пределах пищевой цепи или сети совершается работа и в окружающую среду выделяется тепловая энергия, а количество энергии высокого качества, используемой организмами следующего трофического уровня, снижается.

Чем длиннее пищевая цепь, тем больше теряется полезной высококачественной энергии и тем меньше полезной энергии достается конечному потребителю. Потери полезной энергии на каждом трофическом уровне составляют порядка 90%, т.е. организму следующего трофического уровня достается не более 10% от той энергии, которая поступила организму предыдущего трофического уровня. Эту закономерность часто называют «правилом 10%». Впервые это правило сформулировал Р. Линдеман в 1942 году. Например, если калорийность продуцента1000 Дж, то при поедании его фитофагом в его теле остается 100 Дж, при поедании фитофага хищником в теле хищника останется 10Дж, а если этот хищник будет съеден другим хищником, то в его теле останется только 1 Дж. С чем же связаны такие большие потери энергии в пищевой цепи? Пища, поглощаемая консументом, усваивается не полностью: от 12 до 20% у некоторых растительноядных, до 75% и более у плотоядных. Энергетические затраты организма связаны прежде всего с поддержанием метаболических процессов, для чего необходимо осуществлять дыхание. Значительно меньшая часть, поступивших в организм пищевых веществ, идет на образование тканей и некоторого запаса питательных веществ, т.е. на рост. Часть полезной энергии, теряется с экскрементами. Кроме того, значительная часть энергии рассеивается в виде тепла при химических реакциях в организме и, особенно, при мышечной работе. В конечном итоге большая часть энергии, использованной на поддержание процессов метаболизма, превращается в тепловую энергию, которая рассеивается в окружающей среде.

Все выше сказанное позволяет сделать важный вывод: природные экологические системы являются открытыми системами. В них формируется круговорот веществ, но нет круговорота энергии. Поступающая в них солнечная энергия, проходя по пищевой цепи, рассеивается в виде тепловой энергии в окружающей среде, а для поддержания жизни в экосистеме, необходимо постоянное поступление солнечной энергии к продуцентам.

Для поддержания равновесия в искусственных экологических системах, требуется дополнительная энергия. Например, вспашка поля требует энергии сжигаемого топлива и др.