Структуры водной и наземной экосистемы

Структуры водной и наземной экосистемы.

Экосистемы не являются однородными структурами как в пространстве, так и во времени. Для наземной экосистемы характерна ярусность, т.е. разделение на разновысокие структурные части. Для каждого яруса чаще всего характерен собственный биоценоз. 

Виды живых организмов, которые преобладают в экосистемах, называются доминантными.

Виды, которые не только преобладают, но и определяют режимы абиотических факторов, называются эдификаторами.

Водные системы подразделяются на проточные и стоячие.

Компенсационный горизонт – это глубина, ниже которой не проникают солнечные лучи.

Рассмотрим непроточный (стоячий) водоём (рис. №1).

Рисунок №1 













1-ая зона – литоральная – просвечивается солнцем до дна.

2-ая зона – лимническая – зона, которая просто просвечивается солнцем, но не до дна.

3-яя зона – профундальная – зона, которую не достигают солнечные лучи.



Для проточных водоёмов выделяют глубоководные плёсы и мелководные перекаты. Для каждой зоны характерен собственный биогеоценоз.



Схема биогеоценоза:







Экотоп







Климат

 Почва













Биоценоз







Растения

Животные













Микроорганизмы





Экотоп – это совокупность абиотических факторов биогеоценоза.

Биоценоз – это совокупность биотических факторов биогеоценоза.

Стрелки – это каналы передачи вещества, энергии и информации.

Гомеостаз и сукцессия экологической системы.

Естественные экосистемы существуют сотни и тысячи лет, и обладают определённой стабильностью во времени и пространстве. 

Состояние подвижно-стабильного равновесия экосистемы называется гомеостазом.

Для естественной экосистемы гомеостаз поддерживается тем, что такие системы открыты, т.е. происходит непрерывный обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой. В отличие от естественных экосистем, антропогенные системы не могут существовать без вмешательства человека. И для того, чтобы они находились в состоянии гомеостаза, необходимо управляющее воздействие человека. Практически во всех экосистемах их биотическая часть медленно изменяется во времени. 

Сукцессия - это последовательная смена одного биоценоза другим.

Кроме естественной сукцессии возможна антропогенная сукцессия.

Энергия в экосистемах.

Синтез первичного органического вещества.

Практически всё первичное органическое вещество на Земле образуется зёлёными растениями в процессе фотосинтеза. Этот процесс идёт с поглощением энергии, которая запасается в химических связях органического вещества.

Рассмотрим упрощённую схему фотосинтеза:

фотон попадает в молекулу хлорофила и выбивает электрон.

Фотон взаимодействует с молекулой хлорофила: АДФ+еАТФ.

Далее АТФ+СО2+Н2Оорганическое вещество+О2+АДФ.

В связи с тем, что растения производят органическое вещество под воздействием фотонов света, их называют фотосинтетиками. Кроме зеленых растений, органическое вещество производится некоторыми бактериями. Энергию для этого они получают за счёт химических реакций, поэтому их называют хемосинтетиками.

Существуют серобактерии, получающие энергию за счёт окисления серы до её оксидов, нитрифицирующие бактерии окисляющие аммиак до нитритов и нитратов. Так же существуют железобактерии, окисляющие железо из двухвалентного в трёхвалентный состав.

Понятие о трофической цепи.

Трофическая цепь – это цепь последовательной передачи вещества и эквивалентной ему энергии от одних организмов до других.

Земные растения – это афтотрофные организмы. И так как они создают практически все органические вещества, их ещё называют продуцентами.

Растительноядные животные, растения являются гетеротрофными организмами или консументами первого порядка.

Плотоядные животные – консументы второго порядка – используют уже готовое органическое вещество консументов первого порядка.

Трофические цепи могут быть короткими и длинными. 

Трофическая сеть – это совокупность трофических цепей, связанных между собой отдельными звеньями, создающих сложную структуру.

Кроме продуцентов и консументов существуют редуценты, которые разлагают органическое вещество до неорганических составляющих. Это, прежде всего, бактерии и простейшие. 

Трофическая цепь есть одновременно цепь энергетическая, т.е. упорядоченный поток передачи энергии солнца от продуцентов к консументам различного порядка. Любое количество органического вещества эквивалентно некоторому количеству энергии, которую можно получить, разрушив химические связи. Организмы-консументы, питаясь органическим веществом, получают энергию, часть из которой идёт на построение собственного органического вещества, а часть расходуется на движение, дыхание, теплоотдачу. Таким образом, в силу второго закона термодинамики, поток энергии по трофической цепи неразрывно связан с её рассеиванием, т.е. возрастанием энтропии. Рассеивание энергии компенсируется подкачкой энергии от Солнца. При переходе от одного трофического уровня к другому теряется до 99% энергии. Продуктивность экосистем и соотношение в них различных трофических уровней принято выражать в виде пирамид.

Энергетическая пирамида одной из сельскохозяйственных систем:





3,5104 Дж                                                                                                                                                                                     -                                                -  прибавка тканей человека



5105 Дж                                                                                                                    -                                                   - продуцирована телятина

                                                                                                                     



  6,2107 Дж                                                                                                                                           -                                                - произведено кормовой       -                                                         травы



     2,61011 Дж                                                                                                                               -                                                             - энергия от Солнца





Экологические системы, в которых соотношение продуцируемой биомассы «Р» к расходам на дыхание, движение, теплоотдачу «R» больше единицы (P/R>1) называются системами с афторофной сукцессией. 

Экологические системы, для которых P/R1 называются системами с гетеротрофной сукцессией. Если P/R=1, то такие системы называются стабильными.

Круговорот веществ в биосфере.

Все вещества, находящиеся на Земле, вовлечены в большой (геологический) и малый (биотический), процесс круговорота, причём малый является частью большого. Большой длится сотни тысяч и миллионы лет. Он заключается в следующем: горные породы подвергаются разрушению и выветриванию, продукты разрушения сносятся потоками воды в Мировой океан. Там они образуют морские апластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками или извлечёнными морскими организмами. Крупные и мелкие гестектонические изменения, т.е. опускание материков и поднятие морского дна и приводит к тому, что эти апластования возвращаются на сушу, и процесс начинается вновь. 

Биологический цикл – это круговорот химических веществ из неорганической среды через растения и живые организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии.

Принципы функционирования экосистем.

В естественных экосистемах получение ресурсов и избавление от отходов просходит в рамках круговорота всех элементов.

Экосистемы существуют за счёт не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.

Чем больше биомасса популяции, тем ниже должен быть занимаемый ею трофический уровень. На концах длинных пищевых цепей не может быть большой биомассы.

Круговорот фосфора.

В организме фосфор содержится в клеточных мембранах, нуклеиновых кислотах и веществах носителях энергии АДФ и АТФ.

Рассмотрим малый биотический круговорот фосфора.



Синтез протоплазмы



Растения

PO3-4





Ассимиляция

Распад





Животные



Фосфаторедуцирующие бактерии





Распад





Фосфаты







Морские осадки





PO3-4 – растворимые фосфат ионы.

Биотический круговорот фосфора не замкнут. Существуют блок-морские осадки, которые замыкаются только в пределах большого геологического круговорота фосфора.

Стандартизация и охрана окружающей природной среды.

Существует система стандартов в области охраны природы и улучшения использования природных ресурсов. Этой системе присвоен №17. Система №17 состоит из 9 комплексов стандартов. Номер комплекса ставится через « . » после числа 17.

Существуют следующие комплексы:

Гидросфера

Атмосфера

Биологические ресурсы

Почвы

Земли

Флора

Фауна

Ландшафты

Недра

Каждый комплекс включает в себя восемь групп стандартов. Номер группы ставится через точку после номера комплекса.

Группы:

Основы положения.

Термины определения классификации.

Показатели качества природной среды. Параметры загрязняющих выбросов и сбросов, показатели интенсивности использования природных ресурсов.

Правила охраны природы и рационального использования природных ресурсов.

Методы определения параметров состояния природных объектов и интенсивности хозяйственного воздействия.

Требования к средствам контроля и измерения.

Требования к устройствам аппаратуры и сооружений по защите окружающей природной среды от загрязнений.

Прочие стандарты.

Далее в номенклатуре стандарта через точку идёт номер (порядок) стандарта в группе, а через тире – год ввода стандарта в действие. 

Например: ГОСТ 17:1.1.16-91 это стандарт «Охрана природы : Гидросфера . Термины и определения . 16 – номер стандарта в группе, 91 – год принятия стандарта».

Круговорот азота.

Азот содержится в атмосфере, где его около 80%. Азот содержится в воде и почве в виде неорганических соединений: аммонитных, нитритных и нитратных. Кроме того, азот содержится в живых организмах. Прежде всего в белках и нуклеиновых кислотах.

Рассмотрим малый биотический круговорот азота.







NH-2





Аммонификация

CO(NH2)2





NH+4

NH3





Нитрификация





NO2







Нитрификация





Ассимиляция

Денитрификация

NO-3





N2O







Фиксация

N2



NH-2 – органический азот животных и растений

CO(NH2)2 – мочевина

NH3 – аммиак

NH+4 – ион аммония

NO2 – нитриты

NO-3 – нитраты

N2O – оксид азота

N2 – чистый азот

Принципы устойчивости экосистем.

Все компоненты экосистем находятся во взаимосвязи друг с другом, образуя круговорот химических элементов. Обмен веществом между организмами можно рассматривать как процесс передачи энергии и информации. Таким образом, в любой экосистеме, где существуют трофические цепи, существуют каналы передачи информации (химической, энергетической). Сбалансированность биологического круговорота и устойчивость экосистем с точки зрения кибернетики обеспечивается механизмом обратной связи.

Рассмотрим некоторый объект управления.











ОУ





ОС

На этот объект действует  управления параметрами и  - вектор возмущающих параметров.

 отличается от  тем, что на его составляющие мы можем воздействовать. На выходе имеем  - вектор выходных параметров. Если бы  являлся только функцией управления параметрами, то мы бы всегда могли предсказать  значение . Однако  является функцией не только , но и , и в связи с этим точно предсказать значение  мы не можем. 

Принцип обратной связи заключается в следующем: некоторый управляющий компонент системы получает информацию с выхода управляемой системы и использует эту информацию для коррекции процесса управления.

Обратная связь бывает отрицательной, в этом случае она стабилизирует систему, возвращает состояние равновесия, и положительной, которая раскачивает систему, выводя из состояния равновесия.

Рассмотрим экологическую систему, состоящую из двух популяций: популяция хищника и популяция жертвы.

Допустим, численность популяции жертвы возросла, в результате чего для хищников становится больше еды и популяция хищника тоже растёт. Количество хищников  становится больше, они начинают уничтожать больше жертв, в результате чего численность популяции жертв падает, а затем с некоторым запаздыванием начинает падать численность популяции хищников и система возвращается в исходное состояние.

Здесь мы видим работу отрицательной обратной связи. При некоторых условиях, обратная связь, т.е. передача информации нарушается. Например, если возникнет эпидемия или в системе появился новый хищник, на языке кибернетики говорят, что в каналах обратной связи появились помехи. Роль помех могут играть и абиотические факторы. Воздействие естественных помех на популяцию носит случайный статистический характер, т.е. особи, для которых помехи оказались непреодолимыми погибнут, а более стойкие выживут. Таким образом, под влиянием таких помех происходит естественный отбор и они являются фактором эволюции. Кибернетический подход позволяет объяснить причины биологического равновесия экосистем и условия, при которых это равновесие обеспечивается.

Каждая система обладает определённым запасом информации, под которой понимается мера организованности или упорядоченности системы. Чем сложнее система, чем больше в ней перекрещивающихся трофических и энергетических цепей, тем больше в системе запас информации. Каждая открытая система при обмене веществом и энергией с внешней средой получает из неё информацию. При этом, эта информация стремится вывести систему из состояния равновесия. Накопленная же система информации способна компенсировать нарушение структуры и возвратить систему в стабильное состояние. Таким образом, экологические системы тем устойчивее во времени и пространстве, чем они сложнее или стабильность сообщества определяется числом связей между видами в трофической пирамиде. Человек постоянно вмешивается в процессы, происходящие в экосистемах и влияет как на отдельные звенья, так и системы в целом. Чаще всего, это не приводит к разрушению системы, нарушению её стабильности, однако, это не означает, что система осталась неизменной. Уровень сложности системы при этом уменьшается и соответственно уменьшается запас устойчивости. 

Гомеостатическое плато – это область пространства экологических параметров, в пределах которой механизмы отрицательной обратной связи способны, не смотря на стрессовое воздействие, сохранить устойчивость системы хотя бы и в изменённом виде.

Круговорот воды.

Вода - весьма распространенное на Земле вещество. Почти 3/4 поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки, озера. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы.

Природная вода не бывает абсолютно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха.     

Весьма важное значение для нашей планеты имеет КРУГОВОРОТ ВОДЫ. Он слагается из процессов, имеющих разную протяженность - от оборота воды на протяжении суток в результате транспирирующей деятельности одного растения, всасывающего выпавшею атмосферную воду корнями и вновь возвращающего ее в атмосферу листьями, до медленного движения огромных масс воды, связывающего земную кору с гидросферой и атмосферой.

Круговорот воды на поверхности Земли складывается из 520 тыс. км  выпадающей и такой же массы испаряющейся воды. При этом на континентах выпадает в год 109000 км , а испаряется 72000км . Разница в 37000 км  и есть цифровое значение полного речного стока. С поверхности Мирового океана испаряется воды больше (448000 км ), чем выпадает осадков (441000 км ). Разность покрывается стоком речных вод.

Огромный круговорот воды сопровождает процесс созидания органического вещества. Выделяемый растениями кислород образуется при реакции фотосинтеза за счет расщепления воды. Однако на фотосинтез расходуется всего около 1% воды, проходящей из почвы через растения в атмосферу. Чтобы вырастить 1 ц пшеницы, растения должны пропустить через себя не менее 10000кг воды. По расчетам О.П. Добродеева, при формировании общепланетарной биомассы всех ныне существующих живых организмов в результате фотосинтеза было расщеплено такое количество воды, которое в 3,5 раза больше количества, находящегося во всех реках мира.

Время, необходимое для прохождения всей воды нашей планеты через систему биологического круговорота, можно определить следующим образом. Общая масса воды в наружных оболочках Земли - земной коре, гидросфере и атмосфере, по данным А.П.Виноградова, составляет 160000000 млрд. т. Масса воды, захватываемая годовой продукцией фотосинтезирующих организмов, около 800 млрд.т/г. Период полного оборота всей воды в процессе образования живого вещества примерно 2 млн. лет. Таким образом, вся огромная масса гидросферы Земли за 2 млн. лет проходит через растительные организмы, масса которых ничтожно мала  по сравнению с водной оболочкой.

Круговые движения воды не ограничиваются поверхностью Земли. Значительное количество воды присутствует в горных породах в виде пленочных и поровых вод, еще больше входит ее в состав минералов, образующихся в зоне гипергенеза. Все глинистые минералы, оксиды железа и другие распространенные в этой зоне соединения содержат в своем составе воду. Подсчитано, что в 16-ти километровом слое земной коры содержится примерно 200 млн. км  воды. Поступая в глубинные зоны земной коры, связанные формы воды постепенно освобождаются и включаются в метаморфические, магматические и гидротермические процессы.  С вулканическими газами и горячими источниками глубинные воды поступают на поверхность.