Энергия в экосистемах

     Рисунок 3 - Слева изображена прямая пирамида биомасс, справа – перевёрнутая

     Рисунок 4 - Сезонное изменение в пирамиде биомассы

     Пирамиды  биомассы не отражают энергетической значимости организмов и не учитывают скорость потребления биомассы. Это может приводить к аномалиям в виде перевёрнутых пирамид. Выходом из положения является построение наиболее сложных пирамид – пирамид энергии. Они показывают количество энергии, прошедшее через каждый трофический уровень экосистемы за определённый промежуток времени (например, за год – чтобы учесть сезонные колебания). В основание пирамиды энергии часто добавляют прямоугольник, показывающий приток солнечной энергии. Пирамиды энергии позволяют сравнивать энергетическую значимость популяций внутри экосистемы.

     В отличие от пирамид численности и биомассы, пирамида энергии не может быть обращенной, так как переход энергии пищи на вышестоящие трофические уровни происходит с большими энергопотерями.

     Следовательно, суммарная энергия каждого предыдущего  трофического уровня не может быть выше  энергии последующего. Вышеприведенное рассуждение основано на использовании второго закона термодинамики, поэтому пирамида энергии в экосистеме служит его наглядной иллюстрацией.

     Из  всех названных выше трофических  характеристик экосистемы только пирамида энергии дает наиболее полное представление  об организации биологических сообществ. В пирамиде численности сильно преувеличена роль мелких организмов, а в пирамиде биомассы завышено значение крупных. В таком случае, данные критерии непригодны для сравнения функциональной роли популяции, сильно различающихся по значению отношения интенсивности метаболизма к размеру особей. По этой причине, именно поток энергии служит наиболее подходящим критерием для сравнения отдельных компонентов экосистемы между собой, а также для сравнения двух экосистем друг с другом. Знание основных законов превращения энергии в экосистеме способствуют лучшему пониманию процессов функционирования экосистемы.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.4 Круговорот веществ в сообществах

     Откуда  изначально берутся в живом веществе необходимые для построения организма  компоненты? Их поставляют в пищевую  цепь все те же продуценты. Неорганические минеральные вещества и воду они извлекают из почвы, CO2 - из воздуха, и из образованной в процессе фотосинтеза глюкозы, с помощью биогенов строят далее сложные органические молекулы - углеводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты, витамины и т.п.

     Чтобы необходимые элементы были доступны живым организмам, они все время должны быть в наличии. В этой взаимосвязи реализуется закон сохранения вещества. Его удобно сформулировать следующим образом: атомы в химических реакциях никогда не исчезают, не образуются и не превращаются друг в друга; они только перегруппировываются с образованием различных молекул и соединений (одновременно происходит поглощение или выделение энергии). В силу этого атомы могут использоваться в самых различных соединениях и запас их никогда не истощается. Именно это происходит в естественных экосистемах в виде круговоротов элементов.

     Благодаря пищевым цепям, в экосистеме, наряду с перемещением энергии, происходит и транспортировка различных  химических элементов. Как и в  случае с энергетическими потоками, движущей силой круговорота веществ служит солнечная энергия. Это связано с тем, что в биомассе организмов происходит накопление тех или иных химических веществ, а, значит, при переходе энергии  по пищевым цепям также осуществляется и передача веществ, содержащихся в биомассе. Поток веществ сопровождает собой поток энергии в экосистеме, который, в свою очередь, берет начало от энергии солнечного света.

     Круговорот  химических веществ обусловлен также  влиянием абиотических составляющих экосистемы (например, климатическим фактором), а также активной хозяйственной деятельностью человека. Потоки веществ в экосистеме объединены понятием биогеохимический круговорот. Биогеохимический круговорот — циркуляция в биосфере химических элементов и неорганических соединений по характерным путям из внешней среды в организмы и из организмов во внешнюю среду. Химические элементы, участвующие в круговороте, не бывают равномерно распределены по всей экосистеме. Кроме того, они могут находиться в различных химических формах. Поэтому, при изучении биогеохимических циклов следует выделить две части:

     1) Резервный фонд — большая масса  медленно движущихся веществ,  в основном не связанных с  организмами. Он сосредоточен  в земной коре, атмосфере и  гидросфере. Перемещение веществ в резервном фонде происходит благодаря влиянию абиотических факторов экосистемы.

     2) Обменный фонд. Он представляет  собой неорганические вещества, содержащиеся в живых организмах. Для него характерно быстрое  перемещение химических элементов  между органической и неорганической средами.

     По  своей природе биогеохимические циклы также подразделяются на две  категории. Первая из них — круговорот газообразных веществ с резервным  фондом в атмосфере или гидросфере. Другая же представляет собой осадочный  цикл (т.е. круговорот твердых веществ) с резервным фондом в земной коре. Круговорот газообразных веществ отличает его способность к поддержанию определенных концентраций тех или иных газов, причем концентрации будут примерно одинаковыми во всех точках атмосферы и гидросферы. В осадочных циклах скорость потока веществ намного ниже, чем в газообразном круговороте, так как основная масса их сосредоточена в земной коре, отличающейся своей малоподвижностью и малоактивностью. Из-за этого, способность к саморегуляции в осадочном круговороте не так велика, как в случае с циркуляцией газообразных веществ.

     При изучении биогеохимических круговоротов главное внимание уделяют резервному фонду, то есть части круговорота, физически и химически отделенной от живых организмов.  

       В круговоротах минеральных веществ  в экосистеме обычно участвуют  три блока: живые организмы,  мертвый органический детрит  и доступные неорганические вещества. В качестве примеров биогеохимических циклов можно рассмотреть круговороты азота, углерода и серы (рисунок 5).

     Рисунок 5 – Циклы углерода, азота и серы

     Концентрация  азота и фосфора в экосистеме часто напрямую влияют на численность  организмов в экосистеме (т.е. являются лимитирующими факторами), а круговорот серы может служить наглядной иллюстрацией связей, сложившихся между атмосферой, гидросферой и земной корой.

     Из  всех биогеохимических циклов круговорот углерода, без сомнения, самый интенсивный. С высокой скоростью углерод циркулирует между различными неорганическими средствами и через посредство пищевых сетей внутри сообществ живых организмов (рисунок 6).

     Рисунок 6 - Круговорот углерода (по И. П. Герасимову)

     В круговороте углерода определенную роль играют СО и СО₂. Часто в биосфере Земли углерод представлен наиболее подвижной формой СО₂. Углерод имеет исключительное значение для живого вещества. Из углерода в экосистеме создаются миллионы органических соединений. Углерод из углекислого газа атмосферы в процессе фотосинтеза, осуществляемого  растениями, ассимилируется и превращается в органические соединения растений, а затем и животных. На следующем этапе круговорота органическая масса в результате дыхания и разложения превращается в углекислый газ или оседают в виде органических отложений (например, торфа) которые, в свою очередь, дают начало многим другим соединениям — каменным углям, нефти. Огромное количество углекислоты законсервировано в виде ископаемых известняков и других пород. 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, а также сжигание ископаемого топлива человеком.

     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. 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 (рисунок 7).

Рисунок 7 - Круговорот азота (по Ф. Рамаду)

     В отличие от азота, резервным фондом круговорота фосфора служат горные породы и другие отложения, образовавшиеся в течение 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 (рисунок 8). 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.

     Рисунок 8 - Круговорот фосфора (по Ф. Рамаду)

     Одной из основных особенностей круговорота  серы состоит в том, что его  резервный фонд находится одновременно и в почве, и в атмосфере (рисунок 9). 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  сульфаты, которые используются растениями. Глубоко залегающие сульфаты вовлекаются в круговорот другой группой микроорганизмов, восстанавливающих сульфаты до сероводорода.

      Рисунок 9 - Круговорот серы (по Ф. Рамаду)

     В процессе протекания круговорота воды, происходит испарение влаги с  поверхности водоемов и уход ее в  воздушную среду, после чего она  переносится потоками воздуха на большие расстояния. В дальнейшем, вода выделяется из атмосферы посредством осадков. Часть из них растворяют горные породы и таким образом делают содержащиеся в их составе соединения доступными для усвоения продуцентами. Благодаря атмосферным осадкам также образуется фонд грунтовых вод. Не следует забывать и о потреблении воды живыми организмами. Особое внимание следует акцентировать на том, что водоемы с испарением теряют больше воды, чем получают с осадками. Кроме того, в результате деятельности человека сокращается пополнение грунтовых вод. Следовательно, вода является трудновосполнимым ресурсом, требующим очень рационального использования.

     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 биогеохимических 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.  

3. Влияние человека на  и биосферу

Человек всегда использовал окружающую среду в основном как источник ресурсов, однако в течение очень длительного времени его деятельность не оказывала заметного влияния на биосферу. Лишь в конце дошлого столетия изменения биосферы под влиянием хозяйственной деятельности обратили на себя внимание ученых. В первой половине нынешнего века эти изменения нарастали и в настоящее время лавиной обрушились на человеческую цивилизацию. Стремясь к улучшению условий своей жизни, человек постоянно наращивает темпы материального производства, не задумываясь о последствиях. При таком подходе большая часть взятых от природы ресурсов возвращается ей в виде отходов, часто ядовитых или непригодных для утилизации. Это создает угрозу и существованию биосферы, и самого человека.