Читайте также:
|
Трофическую структуру любой экологической системы можно изобразить графически, в виде экологических пирамид (см. рис.3.5.). В экологических пирамидах каждый прямоугольник отображает определенный трофический уровень. Основанием пирамиды служит уровень продуцентов, а остальные трофические уровни образуют этажи и вершину пирамиды. Строят три типа экологических пирамид:
1) пирамиды чисел или численности, (пирамиды Элтона);
2) пирамиды биомасс;
3) пирамиды энергии.
Каждый прямоугольник в пирамиде чисел отражает число организмов на данном трофическом уровне экосистемы. Пирамида чисел отражает закономерность, обнаруженную Элтоном: в экологической системе растений больше, чем растительноядных животных, растительноядных животных больше, чем хищников. Для более полного понимания пищевых взаимоотношений в экосистеме, рассмотрим упрощенную экосистему, в которой продуцентами являются растения люцерны, консументами 1-го порядка – телята, консументом 2-го порядка – человек (по Ю. Одуму, 1959). На поле площадью 4 га имеется посев люцерны, всего 20 млн. особей. Этого количества достаточно, чтобы прокормить в течение года 4,5 телят, в свою очередь, их будет достаточно, чтобы обеспечить годовые пищевые потребности двенадцатилетнего мальчика. Если результаты расчетов представить в графическом виде, то получим пирамиду чисел (рис.3.4., А).
Однако не во всех экологических системах обнаруживается эта закономерность, например, в лесу небольшое количество больших деревьев, таких как секвойя вечнозеленая, снабжает пищей огромное количество небольших по размеру насекомых фитофагов и птиц-консументов 1-го порядка. Поэтому более предпочтительными в использовании являются пирамиды биомасс и энергии.
Каждый прямоугольник в пирамиде биомасс отражает общую массу организмов каждого трофического уровня. Пользуясь, моделью упрощенной экологической системы, рассмотренной выше, можно построить пирамиду биомасс (рис.3.4.,Б).
В наземных экологических системах биомасса растений всегда существенно больше биомассы животных, а биомасса фитофагов всегда больше биомассы зоофагов. В водных экологических системах биомасса животных обычно намного больше биомассы растений. Эта «неправильность» обусловлена тем, что пирамидами биомасс не учитывается продолжительность существования поколений особей на разных трофических уровнях и скорость образования и выедания биомассы. Главным продуцентом морских экологических систем является фитопланктон, имеющий большой репродуктивный потенциал и быструю смену поколений. В океане за год может смениться до 50 поколений фитопланктона. За то время, пока хищные рыбы (а тем более моржи и киты) накопят свою биомассу, сменится множество поколений фитопланктона, суммарная биомасса которых намного больше. Вот почему универсальным способом выражения трофической структуры экологических систем являются пирамиды скоростей образования живого вещества, т.е. продуктивности. Их обычно называют пирамидами энергии.
Каждый прямоугольник в пирамиде энергии отражает количество, энергии прошедшей через определенный трофический уровень за определенный период. В пирамиде энергии четко отражено следующее правило: на каждом следующем трофическом уровне количество биомассы, создаваемой в единицу времени меньше, чем на предыдущем уровне. Пирамида энергии является универсальной и широко используется для изучения трофической энергии экологической системы (рис.3.4, В).
Знание энергетики экосистемы и количественные ее показатели позволяют точно учесть возможность изъятия из природной экологической системы того или иного количества растительной и животной биомассы без подрыва ее продуктивности.
Человек получает достаточно много продукции от природных систем, тем не менее, основным источником пищи для него является продукция сельского хозяйства. Создав агроэкосистемы, человек стремится получить как можно больше чистой продукции растительности, но ему необходимо тратить половину растительной массы на выкармливание травоядных животных, птиц т.д., при этом значительная часть растительной продукции теряется (теряется до 90% и лишь только 10% используется человеком).
§3.5.Продуктивность экосистем
Как Вы уже знаете, растения в экологической системе выполняют роль продуцентов, т. е. они создают продукцию, органическое вещество.
Первичная продуктивность экологической системы – это скорость образования органических веществ растениями в экологической системе, т.е. это масса органических веществ, создаваемая растениями в единицу времени на единице площади экосистемы. Единицы измерения первичной продуктивности экосистем: г/м2 в день, кг/м2 в год, т/км2 в год.
Различают валовую и чистую продукцию. Валовая первичная продуктивность (ВПП) – это общая масса органического вещества, которое было произведено растениями -продуцентами на единице площади или объема за единицу времени. Часть этого вещества тратится растениями на собственное дыхание. Растения тратят на дыхание от 40 до 70 % валовой продукции. Меньше всего ее тратят планктонные водоросли – около 40% от произведенной валовой продукции. Та часть валовой продукции, которая не израсходована на дыхание, называется чистой первичной продукцией (ЧПП). ЧПП представляет собой величину прироста растений, и именно эта продукция потребляется консументами и редуцентами.
Вторичная продуктивность представляет собой прирост за единицу времени биомассы консументов. Вторичная продукция не делится на валовую и чистую, т.к. животные увеличивают свою массу за счет первичной продукции, т.е. используют ранее созданную продукцию.
Рассчитывают вторичную продукцию отдельно для каждого трофического уровня, т.к. она формируется за счет энергии, поступающей с предшествующего уровня.
Все живые компоненты экосистемы - продуценты, консументы и редуценты – составляют общую биомассу сообщества экосистемы. В стабильных экологических системах практически вся продукция тратится в трофических сетях, и биомасса остается постоянной. Если прирост биомассы превышает потребности консументов, то это приводит к постепенному приросту биомассы продуцентов и возникает избыток мертвых органических веществ в экосистеме. Это в свою очередь приводит к зарастанию мелких водоемов, к заторфовыванию болот, созданию большого слоя подстилки в таежных лесах и др.
По величине продуктивности все экологические системы делятся на 4 класса:
1) Экологические системы, характеризующиеся очень высокой биологической продуктивностью, первичная продукция в которых составляет свыше 2 кг/м2 в год, например, экологические системы тропических лесов, коралловых рифов, заросли тростника в дельтах Волги.
2) Экологические системы, характеризующиеся высокой биологической продуктивностью, первичная продуктивность в которых составляет 1-2 кг/м2 в год, например, луга, смешанные леса.
3) Экологические системы, характеризующиеся умеренной биологической продуктивностью, первичная продуктивность в которых составляет 0,25 – 1 кг/м2 в год, например, поля, озера, хвойные леса.
4) Экологические системы, характеризующиеся низкой биологической продуктивностью, первичная продукция в которых составляет менее 0,25 кг/м2 в год, например, тундры, пустыни, глубины океанов.
Отметим, что экосистемы тропических лесов, которые активно вырубаются, продуктивнее сельскохозяйственных угодий. Человек должен стремиться сохранить продуктивные экологические системы, т.к. для человека они представляют наибольшую ценность. Суммарная площадь высоко продуктивных экологических систем незначительна, на нашей планете преобладают низкопродуктивные экологические системы (см.рис.3.6.).
§ 3.6. Развитие экосистем. Понятие об экологических сукцессиях
Условия существования живых организмов в экосистемах постоянно меняются, например, меняются погодные условия, вмешивается человек в природные системы, действуют случайные факторы, в частности, пожары и др. Однако экосистема способна противостоять действию многих факторов (разумеется, если этот фактор не является настолько сильным, что приводит к быстрому разрушению всей системы). Некоторые нарушенные экосистемы способны через какое-то время восстанавливаться. Например, после лесных пожаров, леса могут через какое-то время восстановиться. Природные системы чрезвычайно упруги и инертны. Ученые экологи до сих пор не могут до конца понять, как природные экосистемы сохраняют свою упругость и инертность. Если обычный размер, видовой состав, биомасса, продуктивность экосистемы соответствуют географическим и климатическим условиям местности, то такое состояние экосистемы называется равновесным или гомеостатическим. Любая экосистема стремиться к равновесному состоянию. Долгое время считалось, что устойчивость экосистемы тем больше, чем больше она по размеру и чем богаче и разнообразнее ее видовой состав. Однако это далеко не всегда так. Например, леса из красного дерева в Калифорнии и дождевые тропические леса отличаются большим видовым разнообразием. Их трудно изменить естественным путем, т.е. они обладают высокой инерционной способностью. Однако, если их полностью уничтожить (вырубить и расчистить большие площади), то восстановить их практически невозможно, т.е. у них низкая упругость. С другой стороны, травянистые экосистемы с незначительным видовым разнообразием, легко выгорают (т.е. имеют низкую инерционность). Но поскольку большая часть растительной массы состоит из подземных корней, эти экосистемы легко восстанавливаются, т.е. они обладают высокой упругостью.
Стремясь к поддержанию гомеостаза, экосистемы, тем не менее, способны к изменениям, к развитию, к переходу от более простых к более сложным формам. Масштабные изменения географической обстановки или типа ландшафта под влиянием природных катастроф или деятельности человека приводят к определенным последовательным изменениям экосистем – сукцессиям (от анг.succession – последовательность). Различают первичные и вторичные сукцессии.
Первичная сукцессия - постепенное заселение организмами участков полностью лишенных почв (отступившее море или ледник, голые скалы, застывшая лава после извержения вулкана т.п.). В этих случаях решающую роль играет процесс почвообразования. Начальное выветривание – разрушение и разрыхление поверхности минеральной основы под действием перепадов температуры и увлажнения – уже может быть использовано бактериями, лишайниками, а затем уже и редкой пионерной растительностью. Появление растительности, а с нею мелких животных, значительно ускоряет образование почвы и постепенное заселение территории сериями все более сложных растительных сообществ, все более крупными растениями и животными. Так постепенно формируется зрелая устойчивая экологическая система.
Вторичные сукцессии имеют характер постепенного восстановления свойственного данной местности сообщества после нанесенных повреждений (последствий бури, пожара, вырубки, наводнения, зарастания заброшенных полей и т.п.). Возникшая в результате вторичной сукцессии экосистема может существенно отличаться от первоначальной, если изменились некоторые характеристики ландшафта или климатические условия.
§ 3.7. Понятие о биосфере. Краткий анализ эволюции биосферы
Термин «биосфера» ввел в науку геолог из Австрии Эдуард Зюсс в 1875 году. «Лик Земли» - так называется его фундаментальный труд, над которым ученый работал четверть века. Зюсс под биосферой понимал «тонкую пленку жизни на земной поверхности». Роль биосферы для живых организмов настолько велика, что уже в начале двадцатого века возникло новое научное направление в естествознании – учение о биосфере, основоположником которого является великий русский ученый Владимир Иванович Вернадский. По В.И. Вернадскому, биосфера – это наружная оболочка Земли, среда обитания живого вещества, которая включает в себя все живые организмы и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Согласно учению В.И. Вернадского, в состав биосферы входят верхняя часть литосферы (твердая оболочка Земли), вся гидросфера (водная оболочка Земли) и нижние слои атмосферы (воздушная оболочка Земли), т.е. те участки, где обнаружена жизнь. В настоящее время живые организмы населяют планету от глубины 11км (океанские впадины) до высоты в атмосфере около 20 км (граница озонового слоя).
По представлениям В.И. Вернадского, все вещества, входящие в состав биосферы, можно разделить на следующие группы:
· Живые вещество (т.е. все вещества, входящие в состав живых организмов);
· Биогенное вещество (уголь, известняки, нефть и др.);
· Косное вещество (в его образовании живые организмы не участвуют);
· Биокостное (создается с помощью живых организмов);
· Радиоактивное вещество;
· Вещество космического происхождения (метеориты и дрю);
· Рассеянные атомы.
Все эти типы веществ геологически связаны между собой.
Важнейшей частью учения В.И. Вернадского о биосфере являются представления о возникновении и развитии биосферы, о роли живых организмов на планете. Великий ученый показал в своих работах исключительную роль «живого вещества», преобразующего облик планеты.
Многие вопросы, касающиеся появления и развития жизни на Земле до сих пор остаются без ответа. Земля и окружающая ее среда сформировались в результате закономерного развития всей Солнечной системы около 4,7 млрд. лет назад из рассеянного в Солнечной системе газово-пылевого вещества. В результате обособления вещества Земли в космическом пространстве, под действием ее гравитационного поля и в условиях разогрева земных недр возникли и развились различные по химическому составу, физическим свойствам оболочки Земли: ядро в центре, мантия, земная кора (литосфера), гидросфера, атмосфера.
По новейшим данным, масса Земли составляет 6·1021т, объем – 1,083·1012 км3, площадь поверхности – 510,2 млн. км2. Размеры, а, следовательно, и все ресурсы нашей планеты ограничены.
Около 3-3,5 млрд. лет назад в результате эволюции материи на Земле возникла жизнь, и началось развитие биосферы. Остатки первых живых клеток – прокариотов (лишенных ядер) обнаружены в породах возраста 3 млрд. лет, первые клетки с ядром - в породах с возрастом около 1 млрд. лет. Первые живые организмы нашей планеты были анаэробами (т.е. для их существования не нужен был воздух). По всей видимости, пищей для этих организмов были органические вещества, содержащиеся в горячих источниках водоемов. Дефицит пищи привел со временем к возникновению фотосинтеза (3,5 млрд. лет назад). Около 1,4 млрд. лет назад на планете появились первые многоклеточные организмы. Примерно 600 млн. лет назад произошел новый эволюционный взрыв – появились новые формы жизни – губки, кораллы, черви, моллюски. Деятельность фотосинтезирующих организмов (бактерий) привела к накоплению кислорода в воздухе, со временем сформировался озоновый слой, который защитил нашу планету от губительного коротковолнового электромагнитного излучения. Это позволило представителям живого мира выйти на сушу, ведь до сих пор жизнь существовала на определенной глубине, там, где ослабевало губительное излучение. Растительный покров, достаточное количество кислорода и питательных веществ, привели к возникновению таких крупных животных, как динозавры, млекопитающие. Примерно 300 млн. лет назад произошло падение содержания кислорода в атмосфере, что привело к снижению скорости разложения мертвого органического вещества, и как следствие, к бурному накоплению массы отмерших органических веществ, что создало запасы ископаемого топлива (каменный уголь, нефть). Примерно 100 млн. лет назад количество кислорода в атмосфере приблизилось к современному.
Таким образом, живое вещество преобразовывало среду обитания. Появление кислорода в атмосфере, новых горных пород (известняков, гранита), горючих полезных ископаемых (угля, нефти, природного газа), почв связано с возникновением и развитием живого вещества. С возникновением человека начался новый этап в эволюции биосферы. Будучи лишь представителем животного мира, человек сам стал мощным фактором, преобразующим облик планеты. Человек является единственным видом, потребляющим энергии больше, чем требует его физиология. Он извлекает из земной коры и распыляет в атмосфере, гидросфере все, что было накоплено в ней за 4 млрд. лет благодаря деятельности других живых организмов.
В процессе эволюции биосфера неоднократно переживала катастрофы. Около 99% всех видов, населявших Землю, погибло. Возникает вопрос: каким путем пойдет дальнейшее развитие человеческого общества и биосферы в целом? Дать однозначный ответ на этот вопрос трудно. Серьезное вмешательство человека в природные системы уже привело к ухудшению состояния биосферы. Сжигание огромного количества органического топлива, привело к накоплению в атмосфере углекислого газа, оксидов азота и др. веществ, вызывающих глобальные климатические изменения на планете (усиление парникового эффекта), над многими участками планеты нарушен озоновый слой, загрязнены воздух, водоемы, почвы, резко сокращается видовое разнообразие. Все это приводит к изменению естественной скорости круговорота веществ. Биосфера чрезвычайно упруга, она противостоит варварской деятельности человека. Но каков предел устойчивости биосферы? Поскольку роль человека в преобразовании планеты колоссальна, то именно человек должен взять на себя ответственность сохранения биосферы, устойчивого развития планеты. Высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного человечества, когда его разумная деятельность становится главным определяющим фактором ее развития, называется ноосферой. Впервые понятие «ноосфера» было использовано в 1927 году французским ученым Э. Леруа, который говорил о необходимости сделать стихийный процесс развития биосферы управляемым. Более глубокое объяснение этот термина дал в своих работах В.И. Вернадский. Он показал, что переход к ноосфере должен быть закономерным и неизбежным этапом развития биосферы, этапом разумного регулирования взаимоотношений человека и природы.
«Биосфера перейдет так или иначе, рано или поздно в ноосферу… На определенном этапе развития человек вынужден взять на себя ответственность за дальнейшую эволюцию планеты, иначе у него не будет будущего», - утверждал В.И. Вернадский.
§ 3.8. Биогеохимические циклы веществ в биосфере
Согласно современным представлениям (синергетике), для самоорганизации столь сложной системы, как биосфера, она должна подпитываться энергией и веществом. Энергию биосфера получает от Солнца. В процессе фотосинтеза солнечная энергия преобразуется зелеными растениями в химическую энергию органических веществ, которая затем передается всем прочим организмам. Вещество - углерод для построения органики и прочие химические соединения, необходимые для синтеза белков и ферментов – биосфера получает из окружающей среды, где их запасы возобновляются в результате круговоротов.
Солнце – источник энергии для жизни на Земле. Оно не только освещает и обогревает Землю, поставляет энергию, необходимую для фотосинтеза, но и поддерживает круговорот важнейших химических веществ, является движущей силой климатических и метеорологических систем, перераспределяющих тепло и влагу на земной поверхности.
Солнце представляет собой гигантский шар, состоящий в основном из газообразных водорода (72 %) и гелия (28%). Температура и давление в центральной части Солнца так высоки, что там происходят ядерные превращения водорода в гелий. В результате этой реакции ядерного синтеза непрерывно освобождается огромное количество энергии.
Энергия Солнца излучается в виде спектра ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и других видов электромагнитной энергии. Самыми опасными являются коротковолновые излучения, например, коротковолновое ультрафиолетовое излучение, γ-излучение. Распространяясь в космическом пространстве во всех направлениях, эти лучи за 8 мин преодолевают расстояние в 150 млн. км и достигают нашей планеты. Около 34% лучистой энергии Солнца, достигшей земной поверхности, отражается назад в космическое пространство облаками, пылью и др. Около 66% идет на нагревание атмосферы, воды, суши, преобразуется в энергию ветра. Лишь незначительная часть (порядка 1 %) улавливается зелеными растениями и используется в процессе фотосинтеза. Большая часть солнечной энергии, достигающей поверхности земли, поступает в виде видимого спектра и ближнего инфракрасного излучения. Основная доля вредного ионизирующего излучения, особенно ультрафиолетовой радиации, поглощается озоном в стратосфере и водяным паром в тропосфере. Без этого экранирующего эффекта большинство современных форм жизни на земле не могло бы существовать. Количество энергии, возвращающейся в космос в виде низкокачественного тепла, зависит от наличия в атмосфере молекул воды, диоксида углерода, метана, оксидов азота, озона и некоторых форм твердых частиц. Эти вещества, действуя наподобие избирательного фильтра, позволяют некоторым высококачественным формам лучистой энергии Солнца пройти сквозь атмосферу к земной поверхности и в то же время задерживают часть возникающего потока низкокачественного теплового излучения Земли, в результате чего изменяются глобальные климатические характеристики.
Благодаря солнечной энергии образуются органические вещества, которые поддерживают в каждом из нас жизнь. Любые элементы или их соединения, необходимые для жизнедеятельности организмов называются питательными веществами. Они включают как органические вещества, например, сахар, так и неорганические, такие как вода, углекислый газ, кислород, железо, медь и др.
Около 40 элементов и их соединений являются наиболее важными для живых организмов. Элементы, необходимые в больших количествах, называются питательными макроэлементами. К ним относятся углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера, кальций, калий, магний, калий. Они составляют более 95% массы всех живых организмов. Около 30 других элементов, необходимых для жизни в небольших или в незначительных количествах, называют микроэлементами. К ним относят: железо, медь, цинк, хлор, йод и др. Большинство элементов на Земле находятся в таком состоянии, что не могут быть напрямую использованы живыми организмами. Однако они способны переходить в другие формы, доступные живым организмам. Переход питательных элементов от неживой природы (из атмосферы, гидросферы, литосферы) к живым организмам и обратно в неживую среду происходит в биогеохимических круговоротах. Эти круговороты обусловлены прямым или косвенным воздействием солнечной энергии и включают круговороты углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и воды. Таким образом, химический элемент может в какой-то момент быть частью живого организма, а в какой-то момент – частью неживой природы. Существуют два основных типа биогеохимических круговоротов:
1) газообразных веществ (углерода, кислорода, водорода, азота);
2) осадочные циклы (основные циклы - фосфора и серы).
Таким образом, жизнь на Земле зависит в основном от двух фундаментальных процессов:
1) от однонаправленного потока высококачественной энергии, исходящей от Солнца, проходящей через вещества и живые организмы, затем передаваемой в атмосферу и в конечном итоге излучаемой обратно в космос в виде низкокачественного тепла;
2) от круговорота в биосфере химических веществ, необходимых для живых организмов.
Антропогенная деятельность человека изменяет естественную скорость круговорота веществ. Как уже отмечено ранее, в настоящее время происходит накопление в атмосфере углекислого газа, вследствие сжигания огромных объемов органического топлива.
В приложении 3 дается более детальная характеристика круговорота ряда биогенных веществ.
Выводы
Сложные системы, состоящие из совокупности живых организмов и условий их обитания, связанных круговоротом веществ, называются экологическими системами. Для поддержания круговорота веществ необходимы: поток солнечной энергии, ряд неорганических веществ (например, вода, углекислый газ) и живые организмы, которые в экосистемах в зависимости от выполняемой функции делятся на продуцентов, консументов, редуцентов. Продуценты синтезируют органическое вещество в процессе фотосинтеза и хемосинтеза. Продуцентами экосистем являются растения, водоросли, ряд микроорганизмов. Консументы выполняют функцию потребления органического вещества, к консументам относятся все животные, в том числе и человек. Редуценты в экосистемах выполняют функцию разложения сложных органических веществ до простых неорганических, которые снова могут быть использованы продуцентами для синтеза органических веществ. Последовательность организмов, связанных пищевыми отношениями, называется пищевой цепью. Каждый организм тратит энергию, полученную с пищей, на дыхание, механическую работу, на рост (теряется порядка 90% полезной энергии). Конечному звену пищевой цепи достается меньше всего полезной энергии. Природные экологические системы являются открытыми системами: для поддержания их равновесия необходим постоянный приток солнечной энергии. Для поддержания равновесия в искусственных экологических системах (созданных человеком), человек использует дополнительные источники энергии (например, энергию, заключенную в органическом топливе). Экологические системы являются упругими системами. Однако под влиянием внешних и внутренних факторов в экосистемах, могут наблюдаться изменения. Процесс развития или восстановления нарушенной экосистемы называется сукцессией.
В целом нашу планету можно рассматривать как огромную экосистему – биосферу. Живые организмы изменили облик планеты. Особую роль в преобразовании планеты играет человек, от деятельности которого зависит будущее планеты.
Дата добавления: 2014-12-20; просмотров: 223 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |
|