Хід заняття. Тема: Кругообіг речовин і потік енергії в екосистемах

Тема: Кругообіг речовин і потік енергії в екосистемах

Мета: сформувати поняття про кругообіг речовин і потік енергії в екосистемах

Хід заняття

1. Потоки енергії і речовини в екосистемах

Будь-яка життя вимагає постійного припливу енергії і речовини. Енергія витрачається на здійснення основних життєвих реакцій, речовина йде на побудову тіл організмів. Існування природних екосистем супроводжується складними процесами матеріально-енергетичного обміну між живою і неживою природою. Ці процеси дуже важливі і залежать не тільки від складу біотичних угруповань, але і від фізичного середовища їх проживання.

Потік енергії в спільноті - це її перехід від організмів одного рівня до іншого у формі хімічних зв'язків органічних сполук (їжі).

Потік (кругообіг) речовини - переміщення речовини у формі хімічних елементів і їх з'єднань від продуцентів до редуцентам і далі (через хімічні реакції, що відбуваються без участі живих організмів) знову до продуцентів.

Кругообіг речовини і потік енергії - не тотожні поняття, хоча нерідко для вимірювання переміщення речовини використовуються різні енергетичні еквіваленти (калорії, кілокалорії, джоулі). Почасти це пояснюється тим, що на всіх трофічних рівнях, за винятком першого, енергія, необхідна для життєдіяльності організмів, передається у формі речовини спожитої їжі. Лише рослини (продуценти) можуть безпосередньо використовувати для своєї життєдіяльності променисту енергію Сонця.

Суворий вимір циркулюючої в екосистемі речовини можна отримати, враховуючи кругообіг окремих хімічних елементів, перш за все тих, які є основним будівельним матеріалом для цитоплазми рослинних і тваринних клітин.

На відміну від речовин, які безперервно циркулюють по різним блокам екосистеми і завжди можуть знову входити у круговорот, енергія може бути використана в організмі тільки один раз.

Відповідно до законів фізики енергія може переходити з однієї форми (наприклад, енергії світла) до іншої (наприклад, потенційну енергію їжі), але вона ніколи не створюється знову і не зникає. Не може бути жодного процесу, пов'язаного з перетворенням енергії, без втрати деякої її частини. У своїх перетвореннях певну кількість енергії розсіюється у вигляді тепла і, отже, втрачається. З цієї причини не може бути перетворень, наприклад харчових речовин на речовини, з яких складається тіло організму, що йдуть зі стовідсотковою ефективністю.

Існування всіх екосистем залежить від постійного припливу енергії, яка необхідна всім організмам для підтримки їх життєдіяльності та самовідтворення.

Лише близько половини сонячного потоку, що падає на зелені рослини, поглинається фотосинтетичним елементами, і лише мала частка поглиненої енергії (від 1 / 100 до 1 / 20 частини) запасається у вигляді енергії, необхідної для діяльності тканин рослин.

У міру віддалення від первинного продуцента швидкість потоку енергії (тобто кількість енергії, виражене в енергетичних одиницях, яке перейшло з одного трофічного рівня на інший) різко слабшає.

Падіння кількості енергії при переході з одного трофічного рівня на більш високий визначає число самих цих рівнів. Підраховано, що на будь-трофічний рівень надходить лише близько 10% (або трохи більше) енергії попереднього рівня. Тому загальне число трофічних рівнів рідко перевищує 3-4.

Співвідношення живої речовини на різних трофічних рівнях підпорядковується в цілому тим же правилом, що і співвідношення енергії, що надходить: чим вище рівень, тим нижче загальна біомаса та чисельність складових його організмів.

Співвідношення чисельності різних груп організмів дає уявлення про стійкість спільноти, адже біомаса та чисельність деяких популяцій є одночасно і показником життєвого простору для організмів даного та інших видів. Наприклад, числом дерев у лісі визначається не тільки загальний запас укладеної в них біомаси та енергії, але і мікроклімат, а також кількість притулків для багатьох комах і птахів.

Піраміди чисельності можуть бути перевернутими. Це відбувається, коли швидкість відтворення популяції жертви висока, і навіть при низькій біомасі така популяція може бути достатнім джерелом їжі для хижаків, що мають більш високу біомасу, але низьку швидкість відтворення. Наприклад, на одному дереві може жити й годуватися безліч комах (перевернута піраміда чисельності). Перевернута піраміда біомаси властива водним екосистемам, де первинні продуценти (фітопланктону водорості) дуже швидко діляться і множаться в числі, а їхні споживачі (зоопланктон ракоподібні) набагато більше, але мають тривалий цикл відтворення.

Пасовищні і детритні ланцюги

Енергія може проходити через співтовариство різними шляхами. Вона являє собою харчовий ланцюг всіх консументів (консументную систему) з додаванням ще двох ланок: це мертве органічна речовина і харчова ланцюг організмів, що розкладають (редуцентна система).

Потік енергії, що йде від рослин через рослиноїдних тварин (їх називають пасуться), називається пасовищної харчової ланцюгом.

Не використані консументами залишки споживаних ними організмів поповнюють собою мертве органічну речовину. Воно складається з фекалій, містять частину незасвоєний їжі, а також трупів тварин, залишків рослинності (листя, гілок, водоростей) і називається детритом.

Потік енергії, що бере початок від мертвої органічної речовини і проходить через систему разлагателеі, називається детрітноі харчової ланцюгом.

Поряд зі схожістю є глибоке розходження у функціонуванні пасовищної і детрітноі харчових ланцюгів. Воно полягає в тому, що в кін-сументной системі фекалії і мертві організми губляться, а в редуцентной - ні.

Рано чи пізно енергія, ув'язнена в мертвому органічному речовині, буде повністю використана разлагателямі і розсіяна у вигляді тепла при диханні, навіть якщо для цього їй потрібно декілька раз пройти через систему редуцентов. Винятком є лише ті випадки, коли місцеві абіотичні умови дуже несприятливі для процесу розкладання (висока вологість, мерзлота). У цих випадках накопичуються поклади не повністю переробленого високоенергоємних речовини, що перетворюється з часом і при відповідних умовах на горючі органічні копалини - нафта, вугілля, торф.

2. Кругообіг речовин в екосистемі

Цілісність природних екосистем особливо виразно виявляється при розгляді циркулюючих в них потоків речовини. Речовина може передаватися по замкнутих циклів (кругообіг), багаторазово циркулюючи між організмами та навколишнім середовищем.

Кругові пересування (по землі, повітрю, воді) хімічних елементів (тобто речовин) називаються біогеохімічними циклами або круговоротами.

Необхідні для життя елементи і розчинені солі умовно називають біогенними елементами (вони дають життя) або поживними речовинами. Серед біогенних елементів розрізняють дві групи: макротрофние речовини і мікротрофние речовини.

Макротрофні речовини охоплюють елементи, які складають хімічну основу тканин живих організмів. Сюди відносяться: вуглець, водень, кисень, азот, фосфор, калій, кальцій, магній, сірка.

Мікротрофні речовини включають в себе елементи і їх з'єднання, також дуже важливі для існування живих систем, але у винятково малих кількостях. Такі речовини часто називають мікроелементами. Це залізо, марганець, мідь, цинк, бор, натрій, молібден, хлор, ванадій і кобальт. Хоча мікротрофние елементи необхідні для організмів в дуже малих кількостях, їх нестача може сильно обмежувати продуктивність.

Циркуляція біогенних елементів супроводжується зазвичай їх хімічними перетвореннями. Нітратний азот, наприклад, може перетворюватися на білковий, потім переходити в сечовину, перетворюватися на аміак і знову синтезуватися в нітратну форму під впливом мікроорганізмів. У процесах денітрифікації та фіксації азоту беруть участь різні механізми, як біологічні, так і хімічні.

Запаси біогенних елементів непостійні. Процес зв'язування деякої їх частини у вигляді живої біомаси знижує кількість, яке залишається в абіотичним середовищі. І якби рослини і інші організми в кінцевому рахунку не розкладалися, запас біогенів вичерпався б і життя на Землі припинилася. Звідси можна зробити висновок, що активність гетеротрофів, в першу чергу організмів, що функціонують в детритних ланцюгах, - вирішальний фактор збереження кругообігу біогенних елементів і утворення продукції.

Розглянемо деякі числові дані, що свідчать про масштаби переносу речовин, звернувшись до біогеохімічному кругообігу вуглецю. Природним джерелом вуглецю, використовуваного рослинами для синтезу органічної речовини, служить вуглекислий газ, що входить до складу атмосфери або знаходиться в розчиненому стані у воді. У процесі фотосинтезу вуглекислий газ (діоксид вуглецю) перетворюється в органічну речовину, що служить їжею тваринам. Дихання, бродіння і згоряння палива повертають вуглекислий газ в атмосферу.

Запаси вуглецю в атмосфері нашої планети оцінюються в 700 млрд. т, в гідросфері - в 50 000 млрд. т. Згідно з розрахунками за рік, в результаті фотосинтезу приріст рослинної маси на суші і у воді становить відповідно 30 млрд. т і 150 млрд. т. Кругообіг вуглецю продовжується близько 300 років.

Інший приклад - круговорот фосфору. Основні запаси фосфору містять різні гірські породи, які поступово (в результаті руйнування та ерозії) віддають свої фосфати наземним екосистемам. Фосфати споживаються рослинами і використовуються ними для синтезу органічних речовин. При розкладанні трупів тварин мікроорганізмами фосфати повертаються в грунт і потім знову використовуються рослинами. Крім цього частина фосфатів виноситься водотоками в море. Це забезпечує розвиток фітопланктону і всіх залежних від нього харчових ланцюгів. Частина фосфору, що міститься в морській воді, може знову повернутися на сушу у вигляді гуано.

Деякі організми можуть відігравати важливу роль у кругообігу фосфору. Молюски, наприклад, фільтруючи воду і витягуючи звідти дрібні організми та детрит, здатні захоплювати і утримувати велику кількість фосфору.

Незважаючи на те, що роль молюсків у харчових ланцюгах прибережних морських співтовариств невелика (вони характеризуються невисокою біомасою і низькою харчовою цінністю), ці організми мають першорядне значення як фактор, що дозволяє зберігати родючість тієї зони моря, де мешкають.

Продуктивність спільноти

Важливим функціональним показником спільнот є їх здатність до створення, або продукування, нової біомаси. Це властивість лежить в основі поняття продуктивність, подібного за змістом з поняттям «родючість», яке використовується по відношенню до сільськогосподарських або іншим екосистемам, чиє функціонування підпорядковане потребам людини (як, наприклад, зерноводство, звірівництво, рибництво, лісорозведення).

Приріст біомаси спільноти виражається сумарним приростом біомаси окремих його елементів (автотрофних і гетеротрофних компонентів, окремих трофічних рівнів, популяцій будь-яких видів). Швидкість продукування біомаси визначають в екології спеціальним показником - продукцією.

У популяції продукція - це загальна (сумарна) величина збільшення її біомаси за одиницю часу. Продукція трофічного рівня - це сумарна продукція усіх популяцій, які займають цей рівень.

Власне продукування біологічного речовини відбувається за рахунок росту організмів і нарождения нових особин. І той і інший процес вимагає певних витрат енергії і речовини.

Автотрофи отримують ці ресурси, використовуючи вільну енергію сонячного випромінювання і запаси мінеральних речовин. Ресурсом гетеро-трофі є організми попередніх трофічних рівнів.

У співтоваристві, який зберігає стійкий стан, фактична продукція даного трофічного рівня повинна покривати харчові потреби організмів наступного рівня. В іншому випадку загальний запас біологічної речовини даного трофічного рівня буде неухильно знижуватися через виїдання.

Як і енергія, продукція різко зменшується при переході від нижчих трофічних рівнів до вищих.

Первинною продукцією називають швидкість утворення біомаси первинними продуцентами - автотрофами (рослинами). Чистий первинна продукція (фактичний приріст маси рослин) завжди менше загальної енергії, фіксованої в процесі фотосинтезу. Саме первинна продукція рослин є доступною для споживання гетеротрофних організмами (бактеріями, грибами і тваринами).

Вторинної продукцією називають швидкість продукування біомаси гетеротрофами.

Основна роль в утворенні живої речовини Землі належить автотрофним рослинам суші. Їх географічне розподіл вкрай нерівномірно: воно залежить від кількості тепла і вологи. Так, головні запаси фітомаси припадають на тропічні області (понад 55%), де вони досягають 650 т з 1 га. У полярних і пустельних областях запаси фітомаси складають всього 12%, зазвичай не перевищуючи 12 т з 1 га.

Біомаса гетеротрофних організмів суші, перш за все тварин (зоомасса), у багато разів менше біомаси рослин (фітомаса). У різних біогеоценозах зоомаса складає від 0,05% до 5% всієї біомаси. При цьому найбільш висока біомаса грунтових мікроорганізмів і безхребетних, а частка наземних хребетних в загальній зоомасі - лише від 0,2% до 4% (тобто в сотні разів менше).

Складаючи незначну частку біомаси, тварини суші тим не менш грають велику роль в регулюванні процесів, що відбуваються в окремих біогеоценозах і біосфері в цілому. Наприклад, зграї сарани або череди антилоп знищують рослинність на великих площах. Земляні черв'яки відіграють величезну роль у грунтоутворенні, значно підвищуючи родючість грунту.

Біомаса Світового океану в кілька сотень разів менше біомаси суші.

Фітомаса океану обмежується кількістю поживних, чи біогенних, речовин. Максимум фітомаси досягається в помірному поясі, де відбувається інтенсивне перемішування вод з виносом поживних речовин на поверхню. Зони океану поблизу берегів особливо насичені життям, що пояснюється припливом поживних речовин з континентів.

Загальна річна продукція наземної рослинності оцінюється приблизно в 180 - 200 млрд т, основна частка її припадає на тропічну зону. Річна продукція фітомаси океану складає близько 50-100 млрд. т. Таким чином, хоча океан займає більше 2 / 3 поверхні земної кулі, він дає тільки 1 / 3 всієї продукції біосфери.

3. Екологічна сукцесія

Якщо припинити обробляти колись відвойоване у лісу орне поле, то ліс, який раніше обіймав цю територію, знову повернеться сюди. Проте раніше на цьому місці виникне ряд спільнот, які, змінюючи один одного, підготують дорогу лісі. Ці змінюють один одного співтовариства можна уподібнити стадій розвитку, через які проходять організми, перш ніж досягнуть зрілості.

Процеси таких послідовних змін називаються екологічної сукцесії (від лат. Сукцесії - послідовність, зміна) та є закономірними. Сукцесія управляється самим співтовариством і не залежить від місця розташування або видової приналежності складових його організмів.

Для того щоб зрозуміти природу екологічної сукцесії, уявімо собі співтовариство, в якому валова, тобто сумарна, продукція автотрофів в енергетичному вираженні точно відповідає енерговитратам (диханню) спільноти, що йде на забезпечення життєдіяльності складових його організмів. Біомаса організмів в такій системі залишається постійною, а сама система незмінною, або рівноважною (процеси продукування врівноважуються диханням).

Можна уявити собі різні типи рівноваги в природі.

Перший тип рівноваги характерний для замкнутого спільноти. Сюди не потрапить додаткова продукція, а власна продукція співтовариства цілком залишається всередині його. Рівновага тут подібно розглянутому вище випадку.

Другий тип рівноваги характерний для деяких екосистем текучої води. Їх органічна речовина виникає не тільки в результаті функціонування автотрофів, але й припливу ззовні. Рівновага тут означає, що «загальне дихання» одно валової продукції самої спільноти, доповненої надходженням органічної речовини ззовні.

Третій тип рівноваги, характерний для сільськогосподарських екосистем, навпаки, відрізняється постійним вилученням частини продукції. Тому в таких екосистемах рівновага досягається, лише коли «загальна дихання» одно тієї величиною продукції, яка залишається в системі після виносу її частини.

Якщо «загальне дихання» менше валової первинної продукції, в екосистемі буде відбуватися накопичення органічної речовини, якщо більше - його зникнення.

І те і інше буде приводити до змін спільноти. При надлишку ресурсу завжди знайдуться види, які його зможуть освоїти. При нестачі ресурсу частина видів вимре. Такі зміни і складають сутність екологічної сукцесії. Головна особливість процесу сукцесії полягає в тому, що зміни співтовариства завжди відбуваються у напрямі до рівноважного стану.

Розвиток лісу на залишеному поле є прикладом сукцесії, яка відбувається у ясно вираженому автотрофне стані, бо в перший момент тут з'являються автотрофні організми.

Прикладом сукцесії іншого роду є річка, забруднена великою кількістю органічних відходів (уявімо, що на березі такої річки побудована і діє свиноферма). Надмірне органічна речовина в цьому випадку починає активно використовуватися гетеротрофами. При цьому воно споживається швидше, чим створюється, тобто відбувається постійне спадання органічної речовини.

Кожна стадія сукцесії представляє собою певне співтовариство з переважанням тих чи інших видів і життєвих форм. Окремі стадії розвитку сукцесії називають серіальними стадіями. Вони змінюють один одного, поки не наступить стан остаточного рівноваги.

Сукцесія, яка починається на порожньому, безжиттєвому місці, називається первинної сукцесій. Наприклад, заселення рослинами піщаної дюни, інший приклад первинної сукцесії - це поселення накипних і лістоватих лишайників на каменях. Під дією виділень лишайників кам'янистий субстрат поступово руйнується і перетворюється на подобу грунту, де поселяються кущисті лишайники, а потім вже зелені мохи, трави та інші вищі рослини. Вторинна сукцесія відноситься до спільнот, які розвиваються на місці вже існуючого, попередньо сформованого спільноти.

Прикладами вторинної сукцесії є зміни спільноти після розкорчування і оранки площ, зайнятих перш лісом (якщо, звичайно, розораних ділянку покинута та згодом не обробляється), або після порубки лісу, пристрою ставка.

Зміни при вторинної сукцесії відбуваються набагато швидше, ніж при первинній. Це пояснюється тим, що первинне співтовариство залишає після себе достатню кількість поживних речовин, розвинену грунт, що значно прискорює ріст і розвиток нових поселенців.

4. Значення сукцесії

У ході сукцесії постійно змінюються вигляд спільноти і функціонування екосистеми. Сукцесія - це закономірний і спрямований процес, тому загальні зміни, що відбуваються на тій чи іншій її стадії, властиві будь-якому спільноті і не залежать від його видового складу або географічного розташування. В якості основних можна назвати наступні чотири типи сукцессіонного змін.

Перший тип. Види рослин і тварин у процесі сукцесії безперервно змінюються.

Другий тип. Зміна видового складу часто визначається конкуренцією, оскільки відбуваються в ході сукцесії зміни екосистеми створюють сприятливі умови для колонізації спільноти новими видами. З цієї причини сукцессіонного зміни завжди супроводжуються підвищенням видової різноманітності організмів.

Третій тип. Збільшення біомаси органічної речовини.

Четвертий тип. Зміни полягають у зниженні чистої продукції співтовариства і підвищення активності його дихання. Це найбільш важливе явище сукцесії. На ранніх стадіях первинної сукцесії загальна первинна продукція висока, але на наступних стадіях продуктивність автотрофів падає.

Тривалість сукцесії багато в чому визначається структурою спільноти. Вивчення первинної сукцесії на таких місцях, як піщані дюни, свідчить про те, що в цих умовах для розвитку найвищої стадії потрібні багато сотень років. Вторинні сукцесії, наприклад на вирубках, протікають набагато швидше. Все ж таки потрібно не менше 200 років, щоб в умовах помірно вологого клімату зміг відновитися лісовий масив.

Якщо клімат особливо суворий (наприклад, в пустелі або тундрі), тривалість стадій коротша, так як спільнота не може істотно змінити несприятливе фізичне оточення. Вторинна сукцесія в степу, наприклад, триває близько 50 років.

На хід сукцесії можуть впливати періодичні зміни клімату, а також бурі, посухи, пожежі, часто випадкові зміни. Так, наприклад, пожежа може не тільки перервати сукцесію, а й повернути систему в початковий стан.

Зрілі стадії сукцесії є стійкішими в порівнянні з ранніми. Посуха може сильно впливати на ранню стадію сукцесії, наприклад на посіви жита чи пшениці. На ліс найвищої стадії його розвитку вона робить набагато менше впливу, якщо, звичайно, посуха не повторюється з року в рік.

Зріле співтовариство з його великою різноманітністю, насиченістю організмами, більш розвиненою трофічної структурою, з врівноваженими потоками енергії здатне протистояти змінам фізичних факторів (таких, як температура, вологість) і навіть деяких видів хімічних забруднень в набагато більшою мірою, ніж молоде співтовариство. Проте молоде спільнота здатна продукувати нову біомасу в набагато більших кількостях, ніж старе.

Таким чином, людина може збирати багатий урожай у вигляді чистої продукції, штучно підтримуючи співтовариство на ранніх стадіях сукцесії. Адже в зрілому співтоваристві, що знаходиться на стадії клімаксу, чистий річний продукція витрачається в основному на дихання рослин і тварин і може бути навіть дорівнює нулю.

З іншого боку, з точки зору людини, стійкість найбільш розвиненого спільноти, її здатність протистояти впливу фізичних факторів (і навіть управляти ними) є дуже важливими і корисними властивостями. Наприклад, орні землі - молоді сукцессіонного стадії. Вони підтримуються у такому стані завдяки безперервному праці хліборобів. А ось лісу - старіші і різноманітні, більш стабільні спільноти з низькою величиною чистої продукції.

Люди все ще слабо усвідомлюють наслідки екологічних порушень, що виникають у гонитві за економічною вигодою. Навіть тих знань, які накопичені екологією в даний час, достатньо для впевненості в тому, що перетворення нашої біосфери в один великий килим орних земель таїть у собі величезну небезпеку. Для нашої власного захисту певні ландшафти повинні бути представлені природними спільнотами.

Література:

1. Короткий курс загальної екології. Навчальний посібник. А.К. Бродський, СПб, "Деан", 2006, - 1677 с.

2. Основи загальної екології. Підручник. Воронков Н.А. М.: "Агар", 2007, - 218 с.

3. Екологія. Підручник. Стадницький Г.В., Родіонов А.І. СПб.: "Хімія", 2005, - 256 с

4. Екологія. Підручник для вузів. Коробкін В.І., Передільське Л.В. М:, 2008, - 576 с.

Дата добавления: 2015-07-20