Круговорот веществ и потоки энергии в экосистемах

Между углекислым газом атмосферы и водой океана существует подвижное равновесие. Организмы поглощают углекислый кальций, создают свои скелеты, а затем из них образуются пласты известняков. Атмосфера пополняется углекислым газом благодаря процессам разложения органических веществ, карбонатов и т.д. Особенно мощным источником являются вулканы, газы которых состоят главным образом из паров воды и углекислого газа,

КРУГОВОРОТ КИСЛОРОДА

(Cloud, 1970)

КРУГОВОРОТ АЗОТА

Резервный фонд круговорота азота сосредоточен в атмосфере. Атмосферный азот, благодаря деятельности азотофиксирующих бактерий, а также посредством атмосферных явлений, попадает в почву или воду в виде соединений с другими элементами (т.н. нитратов). Затем азот усваивается продуцентами, а после и консументами. При разложении деструкторами мертвого органического вещества и вместе с продуктами выделения животных, в почвенной и водной средах  происходит накопление азотосодержащего газа аммиака. В дальнейшем, под воздействием различных бактерий, азот либо снова попадает в атмосферу, либо в составе нитратов оказывается в почве и воде. Причем растворенные в воде нитраты могут оседать на дне водоемов, и в этом случае азот, содержащийся в них, выпадает из круговорота веществ.

КРУГОВОРОТ СЕРЫ

(Colinvaux, 1973)

Одной из основных особенностей круговорота серы состоит в том, что его резервный фонд находится одновременно и в почве, и в атмосфере. В виде соединений с металлами (сульфидов) она залегает в виде руд на суше и входит в состав глубоководных отложений. В доступную для усвоения организмами растворимую форму эти соединения переводятся так называемыми хемосинтезирующими бактериями, способными получать энергию путём окисления восстановленных соединений серы. В результате образуются  т.н. сульфаты, которые используются растениями. Глубоко залегающие сульфаты вовлекаются в круговорот другой группой микроорганизмов, восстанавливающих сульфаты до сероводорода.

Круговорот фосфора

В отличие от азота, резервным фондом круговорота фосфора служат горные породы и другие отложения, образовавшиеся в течении миллионов лет. Содержащиеся в них соединения фосфора (фосфаты) подвергаются постепенному растворению, после чего фосфор из растворенных фосфатов переходит к растениям, а затем и к животным. После разложения мертвого органического вещества, фосфор, находившейся в нем, оказывается в составе соединений, содержащихся в воде и почве, и снова попадает в обменный фонд круговорота. Однако часть останков животных (прежде всего костная ткань)  со временем соединяется с фосфатными породами или отложениями на дне водоемов. В последнем случае происходит выпадение фосфора из биогеохимического цикла. Но возвращение фосфора в круговорот происходит в гораздо меньших количествах, чем выпадение из него. Деятельность человека также приводит к большим утечкам фосфора, в результате чего в будущем может начаться дефицит данного элемента.

Экосистема может обеспечить круговорот веществ только в том случае, если включает четыре необходимые для этого части: запасы биогенных элементов; продуценты; консументы; редуценты;

На их сложном и постоянном взаимодействии основан первый (основной) принцип функционирования экосистем:

«Получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов»[1.стр.52].

              Данный принцип гармонирует с законом сохранения массы. Так как атомы не возникают, не исчезают и не превращаются один в другой, они могут использоваться бесконечно в самых различных химических соединениях и запас их практически не ограничен. Именно это и происходит в природных экосистемах.

Потоки энергии в экосистемах

Биологический круговорот не совершается исключительно за счет вещества, поскольку он – результат деятельности организмов, для обеспечения жизнедеятельности которых требуются постоянные энергетические затраты, обеспечиваемые Солнцем. Энергия солнечных лучей, поглощаемая зелеными растениями, в отличие от химических элементов, не может использоваться организмами бесконечно. «Односторонний приток энергии обусловлен действием законов термодинамики. Согласно первому из них, энергия может переходить из одной формы  (энергии света) в другую (потенциальную энергию пищи), но она никогда не создается вновь и не исчезает бесследно. Согласно второму закону термодинамики, не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потери некоторой ее части.

Энергия не циркулирует в экосистемах, а передаётся от автотрофов к консументам, а затем к деструкторам. На каждом этапе основная её часть рассеивается в форме тепла, в конечном итоге возвращающегося в мировое пространство в виде инфракрасного излучения.

Между организмами возникают и устанавливаются прочие пищевые взаимоотношения, или цепь питания, которая состоит из трех основных звеньев: продуцентов, консументов и редуцентов. Цепи питания, которые начинаются с фотосинтезирующих организмов, называют цепями выедания (или пастбищными), а цепи, начинающиеся с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных, - детритными цепями.

Место каждого звена в цепи питания называют трофическим уровнем, он характеризуется различной интенсивностью протекания потока веществ и энергии.

Первый трофический уровень всегда составляют продуценты; растительноядные консументы относятся ко второму трофическому уровню; плотоядные, живущие за счет растительноядных форм, к третьему; потребляющие других плотоядны – соответственно к четвертому и т. д. Вследствие этого различают консументов первого, второго, третьего и четвертого порядков, занимающих разные уровни в цепях питания.

На суше пищевые цепи состоят из трёх-четырёх звеньев (потому что количество пищи, остающееся в конце более длинной цепи, слишком мало).

Одна из простейших цепей имеет вид:

Растение > Овца > Человек
(продуцент) (травоядное) (плотоядное)

Часто встречаются два уровня пищевой цепи плотоядных:

Дуб > Гусеница > Синица > Ястреб-перепелятник
(продуцент) (травоядное) (плотоядное I) (плотоядное II)

В морской среде пищевые цепи хищников всегда длиннее, чем в наземных экосистемах.

Пищевая цепь паразитов отличается от предыдущих и идёт от крупных организмов к мелким. В некоторых случаях один паразит может развиваться внутри тела второго, что часто встречается у беспозвоночных, когда эндопаразиты являются основным естественным фактором, ограничивающим число хозяев. У насекомых, например, гиперпаразитизм очень сильно развит и часто пищевая цепь организована следующим образом:

Сосна > Гусеница > Бракониды> Наездники
(растение) (травоядное) (паразит) (гиперпаразит)

              Согласно расчетам, на каждом этапе передачи вещества и энергии по пищевой цепи теряется примерно 90% энергии и только около одной десятой доли её переходит к очередному потребителю. Указанное соотношение в передачи энергии в пищевых связях организмов называют «правилом десяти процентов» (принцип Линдемана). Чем длиннее пищевая цепь, тем меньше остается к ее концу доступной энергии. Этим объясняется ограниченное количество (5-6) звеньев в пищевой цепи независимо от сложности видового состава биоценоза.

Таким образом, энергия в экосистеме может накапливаться, затем снова высвобождаться или экспортироваться, но её нельзя использовать вторично. В отличие от энергии элементы питания, необходимые для жизни, и вода используются многократно. Пищевая цепь – основной канал переноса энергии в сообществе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом главное свойство потоков веществ в экосистемах — их цикличность. Вещества в экосистемах совершают сложный многоступенчатый круговорот, попадая сначала к живым организмам, затем в абиотическую среду и вновь возвращаясь к организмам. При этом, часть массы веществ могут надолго выпасть из биогеохиимческих циклов. Биогеохимические циклы веществ сопровождают энергетические потоки в экосистемах. Вмешательство человека в данные процессы может неблагоприятно сказаться на состоянии отдельных экосистем и биосферы в целом. Поэтому действия людей по отношению к экосистемам должны носить осторожный и предсказуемый характер, а для выполнения этого условия необходимо знать все закономерности функционирования потоков веществ и энергии в биосфере, так как именно вышеназванные процессы обеспечивают ее нормальное функционирование.

Главные функции биоценоза в экосистеме, такие, как создание органического вещества, его последующее разрушение и регуляция численности видов, обеспечивается множеством видов организмов, которые в своей деятельности «подстраховывают» друг друга. Например, разложение целлюлозы могут осуществлять специализированные бактерии, различные виды грибов, личинки насекомых, дождевые черви и т.д. Численность, например,  насекомых могут сдерживать многоядные хищники, при более высокой численности – специализированные паразиты, при еще более высокой – возбудители инфекционных заболеваний или ужесточение конкурентной борьбы и внутрипопуляционные взаимоотношения. Из этого можно сделать вывод, что главное условие устойчивости всей жизни на земле состоит в наличии биологического разнообразия. Поэтому исключительно важно, чтобы на планете сохранялось как можно большее разнообразие животного и растительного мира.

Используемая литература:

1.     Денисова И.А., Денисов В.В. Экология. Экспресс-справочник для студентов - М.:ИКЦ «МарТ»; 2005 г.

2.     Рогожкин А.Г. Энциклопедический словарь юного натуралиста. – М.:Педагогика, 1981 г.

3.     Гринберг Я: Круговорот кислорода, углерода, азота, фосфора и серы в биосфере. М, 1999.