Министерство на образованието на Руската федерация
ВЛАДИМИРСКИ ДЪРЖАВЕН УНИВЕРСИТЕТ
Катедра Екология

РЕЗЮМЕ
по дисциплина "Екология"
по темата за:
„Потокът на енергия и кръговратът на веществата в природата“

Завършено:
студент гр. ЗЕВМ-107
Бочаров А.В.

Приема се:
Мишченко Т.В.

ВЛАДИМИР 2011г

Въведение……………………………………………………….….………….. 3
1. Поток на енергия в биосферата …………………………………..…………………. 5
2. Биогеохимични цикли…………………………….….………... 7
2.1 Воден цикъл ………………………………………….….…… 9
2.2 Кислороден цикъл…………………………………….……... 11
2.3 Въглероден цикъл ………………………….………………… 12
2.4 Цикъл на азота…………………………………….……… 14
2.5 Цикъл на фосфора……………………….………………….……….. 17
2.6 Цикъл на сярата…………………………………….…………. 18
3. Фактори, влияещи върху кръговрата на веществата в природата………………... 19
4. Влияние на човека върху кръговрата на веществата в природата ………………… 23
Заключение………………………………………………………………………………….. 26
Списък на използваната литература……………….………………… 27

Въведение
Основната функция на биосферата е да осигурява кръговрата на химичните елементи, което се изразява в кръговрата на веществата между атмосферата, почвата, хидросферата и живите организми.
Екосистемите са съобщества от организми, свързани с неорганичната среда чрез най-тесни материални и енергийни връзки. Растенията могат да съществуват само благодарение на постоянната доставка на въглероден диоксид, вода, кислород и минерални соли. Във всяко дадено местообитание запасите от неорганични съединения, необходими за поддържане на живота на организмите, които го обитават, няма да продължат дълго, ако тези запаси не бъдат подновени. Връщането на хранителни вещества в околната среда става както по време на живота на организмите (в резултат на дишане, екскреция, дефекация), така и след смъртта им, в резултат на разлагането на трупове и растителни остатъци. Така общността придобива определена система с неорганична среда, в която потокът от атоми, причинен от жизнената дейност на организмите, има тенденция да се затваря в цикъл.
Всяка съвкупност от организми и неорганични компоненти, в които може да възникне циркулация на вещества, се нарича екосистема. Този термин е предложен през 1935 г. от английския еколог А. Тансли, който подчертава, че при този подход неорганичните и органичните фактори действат като равни компоненти и не можем да отделим организмите от конкретна среда. А. Тансли разглежда екосистемите като основни единици на природата на повърхността на Земята, въпреки че те нямат определен обем и могат да обхващат пространство с всякаква степен.
Повечето вещества в земната кора преминават през живите организми и участват в биологичния цикъл на веществата, които са създали биосферата и определят нейната стабилност. В енергийно отношение животът в биосферата се поддържа от постоянен поток от енергия от Слънцето и използването й в процесите на фотосинтеза. Дейността на живите организми е съпроводена с извличане на големи количества минерали от заобикалящата ги нежива природа. След смъртта на организмите съставните им химични елементи се връщат в околната среда. Така възниква биогенният кръговрат на веществата в природата, тоест циркулацията на веществата между атмосферата, хидросферата, литосферата и живите организми.
Целта на това есе е да проучи циркулацията на потока енергия и вещества в природата и да разкрие избраната тема.
Темата на моето есе е много обширна. За нея можем да говорим дълго. Но аз ще засегна само тези въпроси, които считам за най-важни и най-близки до избраната тема.

1. ПОТОК на енергия в биосферата
Потокът от слънчева енергия, възприеман от молекулите на живите клетки, се преобразува в енергията на химичните връзки. В процеса на фотосинтеза растенията използват лъчистата енергия на слънчевата светлина, за да преобразуват вещества с ниско енергийно съдържание (CO 2 и H 2 O) в по-сложни органични съединения, където част от слънчевата енергия се съхранява под формата на химични връзки.
Органичните вещества, образувани по време на процеса на фотосинтеза, могат да служат като източник на енергия за самото растение или да се прехвърлят в процеса на хранене и последващо усвояване от един организъм в друг: от растението към тревопасните, от тях към месоядните и т.н. Освобождаването на енергия, съдържаща се в органичните съединения, става по време на процеса на дишане или ферментация. Унищожаването на използвани или мъртви остатъци от биомаса се извършва от различни организми, класифицирани като сапрофити (хетеротрофни бактерии, гъби, някои животни и растения). Те разграждат остатъците от биомаса до неорганични компоненти (минерализация), като насърчават включването на съединения и химични елементи в биологичния цикъл, което осигурява регулярни цикли и производство на органична материя. Енергията, която се съдържа в храната обаче не се върти, а постепенно се превръща в топлинна енергия. В крайна сметка цялата слънчева енергия, погълната от организмите под формата на химически връзки, се връща отново в космоса под формата на топлинна радиация, така че биосферата се нуждае от приток на енергия отвън.
За разлика от веществата, които непрекъснато циркулират през различни блокове на екосистемата и винаги могат да влязат отново в цикъла, енергията може да се използва само веднъж.
Еднопосочният приток на енергия като универсален природен феномен възниква в резултат на законите на термодинамиката, които са свързани с основите на физиката. Първият закон гласи, че енергията може да преминава от една форма (като енергията на светлината) в друга (като потенциалната енергия на храната), но никога не се създава отново или унищожава.
Вторият закон на термодинамиката гласи, че не може да има нито един процес, свързан с трансформацията на енергия, без да се загуби част от нея. При такива трансформации определено количество енергия се разсейва в неналична топлинна енергия и следователно се губи. Поради тази причина не може да има трансформации, например, на хранителни вещества в веществото, изграждащо тялото на организма, които да се случват със 100% ефективност.
Съществуването на всички екосистеми зависи от постоянен поток от енергия, който е необходим на всички организми за поддържане на жизнените им функции и самовъзпроизвеждане.
Слънцето е практически единственият източник на цялата енергия на Земята. Въпреки това, не цялата енергия на слънчевата радиация може да бъде усвоена и използвана от организмите. Само около половината от нормалния слънчев поток, падащ върху зелените растения (т.е. производителите) се абсорбира от фотосинтетичните елементи и само малка част от абсорбираната енергия (от 1/100 до 1/20 от частта) се съхранява във формата биохимична енергия (хранителна енергия).
По този начин по-голямата част от слънчевата енергия се губи като топлина чрез изпарение. Като цяло поддържането на живота изисква постоянно снабдяване с енергия. И където и да има живи растения и животни, тук винаги ще намерим източник на тяхната енергия.

2. Биогеохимични цикли
Химическите елементи, които изграждат живите същества, обикновено циркулират в биосферата по характерни пътища: от външната среда към организмите и отново към външната среда. Биогенната миграция се характеризира с натрупване на химични елементи в организмите (натрупване) и освобождаването им в резултат на минерализацията на мъртвата биомаса (детрит). Такива пътища на циркулация на химикали (в по-голяма или по-малка степен затворени), протичащи с помощта на слънчева енергия през растителни и животински организми, се наричат ​​биогеохимични цикли ( биосе отнася за живи организми и гео– към почвата, въздуха, водата на земната повърхност).
Има цикли от газов тип с резервоари от неорганични съединения в атмосферата или океаните (N 2 , O 2 , CO 2 , H 2 O) и цикли от седиментен тип с по-малко обширни резервоари в земната кора (P, Ca, Fe) .
Необходимите за живота елементи и разтворените соли условно се наричат ​​биогенни елементи (животворни) или хранителни вещества. Сред биогенните елементи се разграничават две групи: макротрофни вещества и микротрофни вещества.
Първите обхващат елементите, които съставляват химическата основа на тъканите на живите организми. Те включват: въглерод, водород, кислород, азот, фосфор, калий, калций, магнезий, сяра.
Последните включват елементи и техните съединения, също необходими за съществуването на живи системи, но в изключително малки количества. Такива вещества често се наричат ​​микроелементи. Това са желязо, манган, мед, цинк, бор, натрий, молибден, хлор, ванадий и кобалт. Въпреки че микротрофните елементи са необходими на организмите в много малки количества, техният дефицит може сериозно да ограничи производителността, както и липсата на хранителни вещества.
Циркулацията на хранителните вещества обикновено се съпровожда от техните химични трансформации. Нитратният азот, например, може да се превърне в протеинов азот, след това да се превърне в урея, да се превърне в амоняк и отново да се синтезира в нитратна форма под въздействието на микроорганизми. Различни механизми, както биологични, така и химични, участват в процесите на денитрификация и фиксиране на азот.
Въглеродът, съдържащ се в атмосферата под формата на CO 2, е един от първоначалните компоненти за фотосинтезата и след това, заедно с органичната материя, се консумира от потребителите. По време на дишането на растенията и животните, както и чрез разлагащите вещества, въглеродът под формата на CO 2 се връща в атмосферата.
За разлика от азота и въглерода, резервоарът на фосфор се намира в скали, които претърпяват ерозия и отделят фосфати в екосистемите. Повечето от тях попадат в морето, а някои могат да бъдат върнати отново на сушата чрез морски хранителни вериги, завършващи с рибоядни птици (образуване на гуано). Усвояването на фосфор от растенията зависи от киселинността на почвения разтвор: с увеличаването на киселинността практически неразтворимите във вода фосфати се превръщат в силно разтворима фосфорна киселина.
За разлика от енергията, хранителните вещества могат да се използват многократно: техният цикъл е характерна черта. Друга разлика с енергията е, че доставката на хранителни вещества не е постоянна. Процесът на отделяне на някои от тях като жива биомаса намалява количеството, оставащо в околната среда на екосистемата.
Нека разгледаме по-подробно биогеохимичните цикли на някои вещества.

Водният цикъл

Водата е в постоянно движение. Изпарявайки се от повърхността на резервоари, почва, растения, водата се натрупва в атмосферата и рано или късно пада под формата на валежи, попълвайки резервите в океани, реки, езера и др. Така количеството на водата на Земята не се променя, тя само променя формите си - това е кръговратът на водата в природата. От всички валежи, които падат, 80% падат директно в океана. За нас най-голям интерес представляват останалите 20%, които попадат на сушата, тъй като повечето водни източници, използвани от хората, се попълват именно от този тип валежи. Казано по-просто, водата, която пада на сушата, има два пътя. Или, събирайки се в потоци, потоци и реки, се озовава в езера и резервоари - така наречените открити (или повърхностни) източници на водовземане. Или водата, просмуквайки се през почвата и подпочвените слоеве, попълва запасите от подземни води. Повърхностните и подземните води представляват двата основни източника на водоснабдяване. И двата водни ресурса са взаимосвързани и имат своите предимства и недостатъци като източник на питейна вода.
В биосферата водата, преминавайки непрекъснато от едно състояние в друго, прави малки и големи цикли. Изпарението на водата от повърхността на океана, кондензацията на водните пари в атмосферата и валежите на повърхността на океана образуват малък цикъл. Ако водните пари се носят от въздушни течения към сушата, цикълът става много по-сложен. В този случай част от валежите се изпаряват и се връщат обратно в атмосферата, другата захранва реки и резервоари, но в крайна сметка отново се връща в океана чрез речен и подземен отток, като по този начин завършва големия цикъл. Важно свойство на водния цикъл е, че взаимодействайки с литосферата, атмосферата и живата материя, той свързва всички части на хидросферата: океана, реките, почвената влага, подпочвените води и атмосферната влага. Водата е най-важният компонент на всички живи същества. Подземните води, прониквайки през растителната тъкан по време на процеса на транспирация, внасят минерални соли, необходими за живота на самите растения.
Най-бавната част от водния цикъл е дейността на полярните ледници, което отразява бавното движение и бързото топене на ледниковите маси. След атмосферната влага речните води се характеризират с най-голяма обменна активност, която се променя средно на всеки 11 дни. Изключително бързото възобновяване на основните източници на прясна вода и обезсоляването на водата в процеса на кръговрата са отражение на глобалния процес на водната динамика на земното кълбо.

Цикъл на кислорода

Кислородът е най-разпространеният елемент на Земята. Морската вода съдържа 85,82% кислород, атмосферният въздух съдържа 23,15% тегловни или 20,93% обемни, а земната кора съдържа 47,2% тегловни. Тази концентрация на кислород в атмосферата се поддържа постоянна от процеса на фотосинтеза. В този процес зелените растения превръщат въглеродния диоксид и водата във въглехидрати и кислород, когато са изложени на слънчева светлина. По-голямата част от кислорода е в свързано състояние; Количеството молекулярен кислород в атмосферата се оценява на 1,5 * 10 15 m, което е само 0,01% от общото съдържание на кислород в земната кора. В естествения живот кислородът е от изключително значение. Кислородът и неговите съединения са незаменими за поддържане на живота. Те играят жизненоважна роля в метаболитните процеси и дишането. Кислородът е част от протеините, мазнините, въглехидратите, от които са "изградени" организмите; Човешкото тяло, например, съдържа около 65% кислород. Повечето организми получават енергията, необходима за изпълнение на жизнените си функции, чрез окисляване на определени вещества с помощта на кислород. Загубата на кислород в атмосферата в резултат на процесите на дишане, гниене и горене се компенсира от кислорода, отделен по време на фотосинтезата. Обезлесяването, ерозията на почвата и различните повърхностни мини намаляват общата маса на фотосинтезата и намаляват цикъла върху големи площи. Наред с това, мощен източник на кислород очевидно е фотохимичното разлагане на водните пари в горните слоеве на атмосферата под въздействието на ултравиолетовите лъчи на слънцето. По този начин в природата цикълът на кислород се извършва непрекъснато, поддържайки постоянството на състава на атмосферния въздух.
В допълнение към цикъла на кислорода, описан по-горе в несвързана форма, този елемент също така завършва най-важния цикъл, като е част от водата.

Въглероден цикъл

Въглеродът е шестнадесетият най-разпространен елемент на Земята сред всички елементи и съставлява приблизително 0,027% от масата на земната кора. В несвързано състояние се намира под формата на диаманти (най-големите находища са в Южна Африка и Бразилия) и графит (най-големите находища са в Германия, Шри Ланка и СССР). Черните въглища съдържат до 90% въглерод. В свързано състояние въглеродът се намира и в различни изкопаеми горива, в карбонатни минерали, като калцит и доломит, както и в състава на всички биологични вещества. Под формата на въглероден диоксид той е част от земната атмосфера, в която представлява 0,046% от масата.
Въглеродът е от изключително значение за живата материя (живата материя в геологията е съвкупността от всички организми, обитаващи Земята). Милиони органични съединения се създават от въглерод в биосферата. Въглеродният диоксид от атмосферата се асимилира и превръща в различни органични растителни съединения по време на процеса на фотосинтеза, извършван от зелените растения. Растителните организми, особено нисшите микроорганизми и морският фитопланктон, поради изключителната си скорост на възпроизводство, произвеждат около 1,5 * 10 11 годишно
и т.н.................

Известно е, че всички вещества в биосферата на планетата Земя са в процес на биохимичен кръговрат.

Има два основни цикъла: голям (геоложки) и малък (биотичен).

Големият цикъл продължава милиони години. Скалите непрекъснато се разрушават, изветряват, разтварят и пренасят от потоци вода в Световния океан. Тук се образуват дебели морски пластове. В този случай някои от химичните съединения се разтварят във вода или се консумират от биоценозата.

Процесите, свързани с потъването на континентите и издигането на морското дъно, движението на моретата и океаните за дълъг период от време, наречени геоктонични, водят до връщане на морските слоеве на сушата и това действие започва отново.

Малкият кръговрат, като част от големия, възниква на нивото на биогеоценозата и се състои в това, че хранителните вещества, съдържащи се в почвата, водата и атмосферата, се натрупват в растенията и се изразходват за създаване на тяхната маса и жизнени процеси в тях. Малкият цикъл продължава стотици години. Тук, под въздействието на бактерии, органичните вещества се разлагат, разпадат и разпадат на минерални компоненти, достъпни за хранене от други растения. Така те отново се включват в кръговия поток на веществата в природата (биосферата).

Връщането на химикали от неорганичната среда чрез растителни и животински организми обратно в неорганичната среда с помощта на слънчева енергия и химични реакции се нарича биохимичен цикъл. В този кръговрат на веществата участват три групи организми: производители, консументи и разлагащи.

производители(производители) - автотрофни организми и растения, които, използвайки слънчева енергия, създават първичното производство на жива материя. Те консумират въглероден диоксид CO 2, вода H 2 O, соли и отделят кислород O 2. Някои бактерии (хемосептици), способни да създават органични вещества, също принадлежат към тази група.

Потребители(консуматори) - хетеротрофни организми, които се хранят с автотрофни организми и един с друг. От своя страна те се делят на консументи от първи (тревопасни), втори (хищници), трети и четвърти (суперпаразити) ред.

Разлагачи(редуциращи агенти) - организми, които се хранят с други (мъртви) организми, бактерии и гъбички. Тук ролята на микроорганизмите е особено голяма, напълно унищожавайки органичните остатъци и превръщайки ги в крайни продукти: минерални соли, въглероден диоксид, вода, прости органични вещества, които влизат в почвата и отново се консумират от растенията.

Трябва да се отбележи, че в резултат на фотосинтезата на земната суша годишно се образуват от 1,5 до 5,5 милиарда тона растителна биомаса, която съдържа около 4,6 10 18 kJ слънчева енергия. Цялото увеличение на живата материя на Земята е около 88 милиарда тона годишно. Освен това общата маса на живата материя включва около 500 хиляди различни растителни вида и около 2 милиона животински вида.

Скоростта на образуване на биологично вещество (биомаса) или образуването на масата на веществото за единица време се нарича производителностекосистеми. Биологичната продуктивност на сушата и океана е приблизително еднаква, тъй като океанската биомаса се състои главно от едноклетъчни водорасли, които се обновяват ежегодно. Земната биомаса се възобновява за 15 години.

Кръговратът на енергията на Земята е свързан с кръговрата на веществата. На ниво химични елементи и тяхното съдържание кръговратът на въглерод С се проявява най-ясно в биосферата като най-активния химичен елемент, чиито съединения непрекъснато се образуват, променят и разрушават. Основният път на въглерода е от въглеродния диоксид към живата материя и обратно към газа.

Част от въглерода напуска цикъла, утаявайки се в седиментни скали на океана или в изкопаеми горими вещества от органичен произход (торф, въглища, нефт, запалими газове), където по-голямата част от него вече е натрупана. И тогава този въглерод участва в бавния геоложки цикъл. Обменът на въглероден диоксид се извършва и между атмосферата и океана. Голямо количество въглероден диоксид е разтворен в горните слоеве на океана, който е в равновесие с атмосферата. Общо хидросферата съдържа около 13 10 13 тона разтворен въглероден диоксид, а атмосферата съдържа 60 пъти по-малко.

Азотният цикъл играе важна роля в биосферните процеси, в тях участва само азотът, който е част от определени химични съединения. Общото време за оборот на азота в големия цикъл се оценява на повече от 100 години.

Фиксирането на азота в химични съединения се извършва по време на вулканична дейност, по време на мълнии в атмосферата, по време на процеса на нейната йонизация и по време на изгаряне на материали. Микроорганизмите играят решаваща роля за нейното фиксиране.

Азотните съединения (нитрати, нитрити) в разтвори влизат в растенията, участвайки в образуването на органични вещества (аминокиселини, сложни протеини). Някои азотни съединения се пренасят в реките и моретата и проникват в подземните води. От съединенията, разтворени в морската вода, азотът се абсорбира от водните организми и след смъртта им се връща обратно в океанските води. Поради това концентрацията на азот в горните слоеве на океана се увеличава значително.

Един от най-важните елементи на биосферата е фосфор F, който е част от нуклеиновите киселини, клетъчните мембрани и костната тъкан. Фосфорът също участва в малкия и големия цикъл и се усвоява от растенията. Натриевите и калциевите фосфати са слабо разтворими във вода, а в алкална среда са практически неразтворими.

Ключовият елемент на биосферата е водата H 2 O. Водният цикъл се осъществява чрез изпаряването му от повърхността на резервоарите и сушата в атмосферата, след което се транспортира от въздушни маси, кондензира и пада като валежи (фиг. 1).

Средната продължителност на общия цикъл на обмен на въглерод, азот и вода, участващи в биологичния цикъл, е 300-400 години. Съгласно тази скорост се отделят минерални съединения, свързани с биомасата.

Известно е, че различните вещества имат различна скорост на обмен в биосферата. Подвижните вещества включват хлор, сяра, бром и флуор. Пасивните включват силиций, калий, фосфор, мед, никел, алуминий и желязо. Циркулацията на всички биогенни елементи се извършва на нивото на биогеоценозата. Продуктивността на биогеоценозата зависи от това колко редовно и пълно протича цикълът на химичните елементи.

Процентът на биоценните елементи в малкия цикъл е доста висок. Например, времето за оборот на атмосферния въглерод в малкия цикъл е около 8 години, а в големия цикъл - 400 години.

екосистема биосфера енергиен цикъл

Въведение

Понятие и структура на екосистемите

1 Понятие за екосистеми

2 Класификация на екосистемите

3 Зониране на макроекосистемите

4 Структура на екосистемата

Фактори, които осигуряват целостта на екосистемите

1 Цикли на веществото

2 Енергиен поток в екосистемите

3 Динамични процеси, които гарантират целостта и устойчивостта на екосистемите

4 Биосферата като глобална екосистема, която осигурява целостта и устойчивостта на екосистемите

Заключение

Въведение

Екосистема е всяка съвкупност от организми и неорганични компоненти, в които може да се осъществи циркулация на вещества. Според Н.Ф. Reimers (1990), екосистема е всяка общност от живи същества и тяхното местообитание, обединени в едно функционално цяло, възникващо на базата на взаимозависимост и причинно-следствени връзки, които съществуват между отделните компоненти на околната среда. А. Тансли (1935) предлага следната връзка:

Има микроекосистеми, мезоекосистеми, макроекосистеми и глобалната биосфера. Големите сухоземни екосистеми се наричат ​​биоми. Екосистемите не са разпръснати в безпорядък, напротив, те са групирани в доста правилни зони, както хоризонтално (по ширина), така и вертикално (по височина).

От екватора до полюсите се вижда известна симетрия в разпределението на биоми от различни полукълба: тропически дъждовни гори, пустини, степи, умерени гори, иглолистни гори, тайга.

Всяка екосистема има два основни компонента: организми и фактори от тяхната нежива среда. Съвкупността от организми (растения, животни, микроби) се нарича биота на една екосистема. От гледна точка на трофичната структура (от гръцки trophe - хранене), екосистемата може да бъде разделена на два слоя: горен, долен.

Като част от екосистемата се разграничават следните компоненти: неорганични, органични съединения, въздух, вода и субстратна среда, производители, автотрофни организми, консументи или фаготрофи, разлагащи и детритоядни.

Слънчевата енергия на Земята предизвиква два цикъла на веществата: голям, или геоложки, и малък, биологичен (биотичен).

В една екосистема има цикли на веществата. Най-изучени са: циклите на въглерод, кислород, азот, фосфор, сяра и др.

Поддържането на жизнената дейност на организмите и циркулацията на материята в екосистемите, т.е. съществуването на екосистемите, зависи от постоянния приток на слънчева енергия.

В екосистемите непрекъснато настъпват промени в състоянието и жизнената активност на техните членове и в съотношението на популациите. Разнообразните промени, настъпващи във всяка общност, се делят на два основни типа: циклични и прогресивни.

Глобалната екосистема е биосфера, характеризираща се с целостта и стабилността на екосистемите.

1. Понятие и структура на екосистемите

1 Понятие за екосистеми

Живите организми и тяхната нежива (абиотична) среда са неразривно свързани помежду си и са в постоянно взаимодействие. Всяка единица (биосистема) на една екосистема е екологична система. Екологичната система или екосистемата е основната функционална единица в екологията, тъй като включва организми и нежива среда - компоненти, които взаимно влияят взаимно на свойствата и необходимите условия за поддържане на живота във формата, която съществува на Земята. Терминът "екосистема" е предложен за първи път през 1935 г. от английския еколог А. Тансли. Понастоящем широко се използва следното определение за екосистема. Екосистема е всяка съвкупност от организми и неорганични компоненти, в които може да се осъществи циркулация на вещества. Според Н.Ф. Reimers (1990), екосистемата е всяка общност от живи същества и тяхното местообитание, обединени в едно функционално цяло, възникващо на базата на взаимозависимост и причинно-следствени връзки, които съществуват между отделните компоненти на околната среда. Трябва да се подчертае, че комбинацията от специфична физикохимична среда (биотоп) със съобщество от живи организми (биоценоза) образува екосистема. А. Тансли (1935) предлага следната връзка:

Екосистема = Биотоп + Биоценоза

Според определението на V.N. Сукачев, биогеоценозата е „съвкупност от хомогенни природни явления (атмосфера, скали, почва и хидрологични условия) на определена територия от земната повърхност, която има своя специфична специфика на взаимодействие на тези съставляващи я компоненти и определен тип обмен на материя и енергия между себе си и други природни явления и представляващи вътрешно противоречиво диалектическо единство, в постоянно движение и развитие."

В допълнение към понятията за екосистема A. Tansley и биогеоценоза V.N. Сукачев формулира правилото на Ф. Еванс (1956), който предлага използването на термина „екосистема“ абсолютно „безразмерно“ за обозначаване на всяка надорганична жива система, взаимодействаща с околната среда. Много автори обаче дават на понятието „екосистема“ значението на биогеоценоза, т.е. елементарна екосистема и същевременно по-високо в йерархията на надбиогеоценотичните образувания до биосферната екосистема.

2 Класификация на екосистемите

Съществуващите на Земята екосистеми са разнообразни. Има микроекосистеми (например стволът на гниещо дърво), мезоекосистеми (гора, езерце и др.), макроекосистеми (континент, океан и др.) и глобалната биосфера.

Големите сухоземни екосистеми се наричат ​​биоми. Всеки биом съдържа редица по-малки, взаимосвързани екосистеми. Има няколко класификации на екосистемите:

Вечнозелена тропическа гора

Пустиня: треви и храсти Chaparral - райони с дъждовни зими и сухи лета

Тропически Грасленц и Савана

Умерена степ

Умерена широколистна гора

Бореални иглолистни гори

Тундра: арктическа и алпийска

Видове сладководни екосистеми:

Лента (неподвижни води): езера, езера и др.

Lotic (течащи води): реки, потоци и др.

Влажни зони: блата и блатисти гори

Видове морски екосистеми

Открит океан (пелагичен)

Води на континенталния шелф (крайбрежни води)

Райони на повдигане (плодородни райони с продуктивен риболов)

Естуари (крайбрежни заливи, проливи, речни устия, солени блата и др.). Сухоземните биоми се отличават тук с естествени или оригинални характеристики на растителността, а видовете водни екосистеми се отличават с геоложки и физически характеристики. Изброените основни типове екосистеми представляват средата, в която се е развила човешката цивилизация и представляват основните биотични общности, поддържащи живота на Земята.

3 Зониране на макроекосистемите

Изследването на географското разпределение на екосистемите може да се предприеме само на ниво големи екологични единици – макроекосистеми, които се разглеждат в континентален мащаб. Екосистемите не са разпръснати в безпорядък, напротив, те са групирани в доста правилни зони, както хоризонтално (по ширина), така и вертикално (по височина). Това се потвърждава от периодичния закон за географско зониране на A.A. Григориева - М.И. Budyko: с промяната на физико-географските зони на Земята подобни ландшафтни зони и някои от техните общи свойства периодично се повтарят. Това също беше обсъдено при разглеждането на земно-въздушната среда на живот. Установената от закона периодичност се проявява във факта, че стойностите на индекса на сухота варират в различни зони от 0 до 4-5, три пъти между полюсите и екватора те са близки до единица. Тези стойности съответстват на най-високата биологична продуктивност на ландшафта.

Периодичното повторение на свойствата в поредица от системи от едно йерархично ниво вероятно е общ закон на Вселената, формулиран като закон за периодичност в структурата на системните агрегати, или системно-периодичен закон - специфични природни системи от едно ниво ( подниво) на организация представляват периодична или повтаряща се поредица от морфологично подобни структури в границите на пространство-времето на горната и долната система, извън които съществуването на системи на дадено ниво става невъзможно. Те преминават в нестабилно състояние или се превръщат в друга системна структура, включително друго ниво на организация.

Температурата и валежите определят местоположението на основните сухоземни биоми на земната повърхност. Моделът на температурата и валежите в определен район за доста дълъг период от време е това, което наричаме климат. Климатът в различните региони на земното кълбо е различен. Годишните валежи варират от 0 до 2500 mm или повече. Температурният и валежният режим се комбинират по много различни начини.

Спецификата на климатичните условия от своя страна определя развитието на даден биом.

От екватора до полюсите се вижда известна симетрия в разпределението на биоми от различни полукълба:

Тропически дъждовни гори (северна Южна Америка, Централна Америка, западни и централни части на екваториална Африка, Югоизточна Азия, крайбрежни райони на северозападна Австралия, острови в Индийския и Тихия океан). Климатът е без смяна на сезоните (близост до екватора), средната годишна температура е над 17°C (обикновено 28°C), средните годишни валежи надхвърлят 2400 mm.

Растителност: преобладават горите. Някои видове дървета достигат височина до 60 м. По стволовете и клоните им има епифитни растения, чиито корени не достигат до почвата, и дървесни лози, които се вкореняват в почвата и се изкачват по дърветата до върховете им. Всичко това образува плътен навес.

Фауна: видовият състав е по-богат, отколкото във всички други биоми взети заедно. Особено многобройни са земноводните, влечугите и птиците (жаби, гущери, змии, папагали), маймуни и други дребни бозайници, екзотични насекоми с ярки цветове и ярко оцветени риби във водоемите.

Характеристики: почвите често са тънки и бедни, повечето от хранителните вещества се съдържат в повърхностната биомаса на вкоренената растителност.

2. Савана (субекваториална Африка, Южна Америка, значителна част от Южна Индия). Климатът е сух и горещ през по-голямата част от годината. Обилни валежи през влажния сезон. Температура: средногодишна-висока. Валежите са 750-1650 mm/годишно, главно през дъждовния сезон. Растителност - синя трева (житни растения) с редки широколистни дървета. Фауна: големи тревопасни бозайници, като антилопи, зебри, жирафи, носорози, хищници - лъвове, леопарди, гепарди.

Пустини (някои райони на Африка, например Сахара; Близкия изток и Централна Азия, Големият басейн и югозападните Съединени щати и Северно Мексико и др.). Климатът е много сух. Температура - горещи дни и студени нощи. Валежите са по-малко от 250 mm/година. Растителност: редки храсти, често бодливи, понякога кактуси и ниски треви, бързо покриващи земята с цъфтящ килим след редки дъждове. Растенията имат обширни повърхностни коренови системи, които улавят влагата от редки валежи, както и корени, които проникват в земята до нивото на подземните води (30 m и по-дълбоко). Фауна: различни гризачи (кенгурови плъхове и др.), жаби, гущери, змии и други влечуги, сови, орли, лешояди, малки птици и насекоми в големи количества.

4. Степи (център на Северна Америка, Русия, някои райони на Африка и Австралия, югоизточно от Южна Америка). Климатът е сезонен. Температури - летните температури варират от умерено топли до горещи, зимните температури под 0°C. Валежи - 750-2000 mm/год. Растителност: доминиран от синя трева (зърнени култури) с височина до 2 m и по-висока в някои прерии на Северна Америка или до 50 cm, например в руските степи, с изолирани дървета и храсти във влажни зони. Фауна: едри тревопасни бозайници - бизони, вилороги антилопи (Северна Америка), диви коне (Евразия), кенгуру (Австралия), жирафи, зебри, бели носорози, антилопи (Африка); Хищниците включват койоти, лъвове, леопарди, гепарди, хиени, разнообразие от птици и дребни бозайници, като зайци, земни катерици и аардварк.

5. Умерени гори (Западна Европа, Източна Азия, Източна САЩ). Климат - сезонен със зимни температури под 0 0В. Валежи - 750-2000 mm/год. Растителност: преобладават гори от широколистни широколистни дървета с височина до 35-45 м (дъб, хикори, клен), храстовидна подлеска, мъхове, лишеи. Фауна: бозайници (белоопашат елен, бодливо прасе, миеща мечка, опосум, катерица, заек, земеровки), птици (коприварци, кълвачи, косове, сови, соколи), змии, жаби, саламандри, риби (пъстърва, костур, сом и др.) .), богата почвена микрофауна (фиг. 12.3).

Биотата е адаптирана към сезонния климат: зимен сън, миграция, покой през зимните месеци.

6. Иглолистни гори, тайга (северните райони на Северна Америка, Европа и Азия). Климатът е дълга и студена зима, с известно количество валежи под формата на сняг. Растителност: преобладават вечнозелени иглолистни гори, предимно смърч, бор и ела. Фауна: големи тревопасни копитни животни (муле, северен елен), дребни тревопасни бозайници (заек, катерица, гризачи), вълк, рис, лисица, черна мечка, мечка гризли, росомаха, норка и други хищници, множество кръвосмучещи насекоми през краткото лято време. Климатът е много студен с полярни дни и полярни нощи. Средната годишна температура е под -5°C. За няколко седмици кратко лято земята се размразява на не повече от един метър дълбочина. Валежите са по-малко от 250 mm/година. Растителност: преобладават бавно растящи лишеи, мъхове, треви и острица и джуджета. Фауна: големи тревопасни копитни животни (северен елен, мускусни говеда), дребни бозайници (през цялата година, например леминги), хищници, които придобиват камуфлажен бял цвят през зимата (арктическа лисица, рис, хермелин, снежна сова). През краткото лято в тундрата гнездят голям брой прелетни птици, сред които има особено много водолюбиви птици, които се хранят с изобилни тук насекоми и сладководни безгръбначни.

Вертикалната височинна поясност на сухоземните екосистеми, особено в местата с подчертан релеф, също е много ясна.

Влажността е основният фактор, който определя вида на биома. При достатъчно големи количества валежи се развива горска растителност. Температурата определя вида на гората. Ситуацията е абсолютно същата в степните и пустинните биоми. Промените в видовете растителност в студените райони настъпват при по-ниски годишни количества валежи, тъй като при ниски температури се губи по-малко вода за изпаряване. Температурата става основен фактор само при много студени условия с вечна замръзналост.

По този начин съставът на екосистемите до голяма степен зависи от тяхното функционално „предназначение“ и обратно.

Според Н.Ф. Reimers (1994), това е отразено в принципа на екологичното допълване (комплементарност): нито една функционална част от екосистемата (екологичен компонент, елемент и т.н.) не може да съществува без други функционално допълващи се части. Близък до него и разширяващ го е принципът на екологичната конгруентност (съответствие):. функционално допълвайки се, живите компоненти на екосистемата развиват подходящи адаптации за това, съгласувани с условията на абиотичната среда, която до голяма степен се трансформира от същите организми (биоклимат и др.), т.е. съществува двойна поредица от съответствие - между организмите и тяхното местообитание - външно и създадено от ценозата.

4 Структура на екосистемата

От гледна точка на трофичната структура (от гръцки trophe - хранене), екосистемата може да бъде разделена на две нива:

Горният - автотрофен (самохранещ се) слой, или "зелен пояс", включващ растения или техните части, съдържащи хлорофил, където преобладава фиксирането на енергията за броене и използването на прости неорганични съединения.

Долният е хетеротрофният (подхранван от други) слой или „кафявият пояс“ от почви и седименти, разлагаща се материя, корени и др., В който преобладават използването, трансформацията и разлагането на сложни съединения.

От биологична гледна точка следните компоненти се разграничават като част от екосистемата:

1. неорганични;
2. органични съединения;
3. въздух, вода и субстратна среда;
4. продуценти, автотрофни организми;
5. консументи или фаготрофи;
6. разлагащи и детритивни.

В една екосистема хранителните и енергийните връзки между категориите винаги са недвусмислени и вървят в посока на:

автотрофи - хетеротрофи или в по-пълна форма;

автотрофи -> консументи -> декомпозитори (деструктори).

Основният източник на енергия за екосистемите е Слънцето. Енергийният поток (според T.A. Akimova, V.V. Khaskin, 1994), изпратен от слънцето към планетата Земя, надхвърля 20 милиона EJ годишно. Само една четвърт от този поток се доближава до границата на атмосферата. От тях около 70% се отразяват, абсорбират от атмосферата и излъчват под формата на дълговълново инфрачервено лъчение. Слънчевата радиация, падаща върху повърхността на Земята, е 1,54 милиона EJ годишно. Това огромно количество енергия е 5000 пъти цялото енергийно снабдяване на човечеството в края на 20-ти век и 5,5 пъти енергията на всички налични ресурси от изкопаеми горива от органичен произход, натрупани в продължение на поне 100 милиона години.

По-голямата част от слънчевата енергия, която достига повърхността на планетата, се преобразува директно в топлина, затопляйки водата или почвата, което от своя страна затопля въздуха. Тази топлина служи като движеща сила зад водния цикъл, въздушните течения и океанските течения, които определят времето, и постепенно се освобождава в открития космос, където се губи. За да се определи мястото на екосистемите в този естествен поток от енергия, е важно да се осъзнае, че колкото и обширни и сложни да са те, те използват само малка част от нея. Това предполага един от основните принципи на функциониране на екосистемите: те съществуват благодарение на незамърсяващата и почти вечна слънчева енергия, чието количество е относително постоянно и изобилно. Нека разгледаме по-подробно всяка от изброените характеристики на слънчевата енергия:

1. Излишък. Растенията използват около 0,5% от нейното количество, достигащо до Земята; слънчевата енергия в крайна сметка се превръща в топлина, тогава увеличаването на нейното използване не би трябвало да повлияе на динамиката на биосферата.
2. Чистота. Слънчевата енергия е „чиста“, въпреки че ядрените реакции, протичащи в дълбините на Слънцето и служещи като източник на енергията му, са придружени от радиоактивно замърсяване, цялата тя остава на 150 милиона километра от Земята.
3. Последователност. Слънчевата енергия винаги ще бъде налична в едни и същи, неограничени количества.
4. Вечност. Слънцето ще изгасне след няколко милиарда години. Това обаче няма практическо значение за нас, тъй като хората, според съвременните данни, съществуват само от около 3 милиона години. Това е само 0,3% от един милиард. Следователно, дори след 1 милиард години животът на Земята да стане невъзможен, на човечеството остават 99,7% от този период или на всеки 100 години той ще намалява само с 0,00001%.

2. Фактори, които осигуряват целостта на екосистемите

1 Цикли на веществото

И двата цикъла са взаимно свързани и представляват като че ли един процес. Изчислено е, че целият кислород, съдържащ се в атмосферата, преминава през организмите (комбиниран по време на дишане и освободен по време на фотосинтеза) за 2000 години, въглеродният диоксид в атмосферата се върти в обратна посока за 300 години и цялата вода на Земята е разложени и пресъздадени чрез фотосинтеза и дишане за 2 000 000 години.

Взаимодействието на абиотичните фактори и живите организми на екосистемата е придружено от непрекъсната циркулация на материята между биотопа и биоценозата под формата на редуващи се органични и минерални съединения. Обменът на химични елементи между живите организми и неорганичната среда, чиито различни етапи протичат в екосистемата, се нарича биогеохимична циркулация или биогеохимичен цикъл.

Водният цикъл. Най-значимият цикъл на Земята по отношение на пренесените маси и потреблението на енергия е планетарният хидрологичен цикъл - кръговратът на водата.

Всяка секунда в него участват 16,5 милиона m3 вода и за това се изразходват повече от 40 милиарда MW слънчева енергия (според T.A. Akimova V.V. Haskin, (1994)). Но този цикъл не е само пренос на водни маси. Това са фазови трансформации, образуване на разтвори и суспензии, утаяване, кристализация, процеси на фотосинтеза, както и различни химични реакции. Животът е възникнал и продължава в тази среда. Водата е основният елемент, необходим за живота. Количествено това е най-често срещаният неорганичен компонент на живата материя. При човека водата съставлява 63% от телесното тегло, при гъбите - 80%, при растенията - 80-90%, а при някои медузи - 98%

Водата, както ще видим малко по-късно, участва в биологичния цикъл и служи като източник на водород и кислород, съставлявайки само малка част от общия й обем.

В течно, твърдо и парообразно състояние водата присъства и в трите основни компонента на биосферата: атмосферата, хидросферата и литосферата. Всички води са обединени от общото понятие "хидросфера". Компонентите на хидросферата са свързани помежду си чрез постоянен обмен и взаимодействие. Водата, преминавайки непрекъснато от едно състояние в друго, прави малки и големи цикли. Изпарението на водата от повърхността на океана, кондензацията на водните пари в атмосферата и валежите на повърхността на океана образуват малък цикъл. Когато водната пара се носи от въздушни течения към сушата, цикълът става много по-сложен. В този случай част от валежите се изпаряват и се връщат обратно в атмосферата, другата захранва реки и резервоари, но в крайна сметка се връща в океана чрез речен и подземен отток, като по този начин завършва големия цикъл.

Биотичен (биологичен) цикъл. Биотичният (биологичен) цикъл се отнася до циркулацията на веществата между почвата, растенията, животните и микроорганизмите. Биотичният (биологичен) цикъл е потокът на химични елементи от почвата, водата и атмосферата в живите организми, превръщането на постъпващите елементи в нови сложни съединения и връщането им обратно в процеса на живот с годишното падане на част от органичните вещества. материя или с напълно мъртви организми, включени в състава на екосистемата. Сега ще представим биотичния цикъл в циклична форма. Централният биотичен цикъл (според T.A. Akimova, V.V., Khaskhin) се състои от примитивни едноклетъчни производители (P) и декомпозитори-деструктори (D). Микроорганизмите са в състояние бързо да се размножават и да се адаптират към различни условия, например да използват всички видове субстрати - източници на въглерод - в диетата си. Висшите организми нямат такива способности. В цялостни екосистеми те могат да съществуват под формата на структура върху основата на микроорганизми.

Първо се развиват многоклетъчни растения (Р) - висши производители. Заедно с едноклетъчните организми те създават органична материя чрез процеса на фотосинтеза, използвайки енергията на слънчевата радиация. Впоследствие се свързват първичните потребители - тревопасни животни (Т), а след това месоядни потребители. Разгледахме биотичния цикъл на земята. Това се отнася напълно за биотичния цикъл на водните екосистеми, например океана.

Всички организми заемат определено място в биотичния цикъл и изпълняват функциите си за трансформиране на клоновете на енергийния поток, който получават, и пренос на биомаса. Система от едноклетъчни декомпозитори (деструктори) обединява всички, обезличава субстанциите им и затваря общия кръг. Те връщат в абиотичната среда на биосферата всички елементи, необходими за нови и нови революции.

Трябва да се подчертаят най-важните характеристики на биотичния цикъл.

Фотосинтезата е мощен природен процес, който ежегодно включва огромни маси от биосферна материя в цикъла и определя нейния висок кислороден потенциал.

Благодарение на въглеродния диоксид и водата се синтезира органична материя и се освобождава свободен кислород. Преките продукти на фотосинтезата са различни органични съединения и като цяло процесът на фотосинтеза е доста сложен.

Освен фотосинтезата с участието на кислород, така наречената кислородна фотосинтеза, трябва да се насочим и към безкислородната фотосинтеза или хемосинтезата.

Хемосинтезиращите организми включват нитрификатори, карбоксидобактерии, серни бактерии, тионни железни бактерии и водородни бактерии. Те са кръстени на техните окислителни субстрати, които могат да бъдат NH3, NO2, CO, H2S, S, Fe2+, H2. Някои видове са облигатни хемолитоавтотрофи, други са факултативни. Последните включват карбоксидобактерии и водородни бактерии. Хемосинтезата е характерна за дълбоководните хидротермални отвори.

Фотосинтезата протича, с малки изключения, на цялата повърхност на Земята, създава огромен геохимичен ефект и може да се изрази като количеството на цялата маса въглерод, участваща годишно в изграждането на органичното - живо вещество на цялата биосфера. В общия кръговрат на материята, свързан с изграждането на органичната материя чрез фотосинтеза, участват и химични елементи като N, P, S, както и метали – K, Ca, Mg, Na, Al.

Когато един организъм умре, протича обратният процес - разграждане на органичните вещества чрез окисляване, гниене и т.н. с образуването на крайни продукти на разпадане.

В биосферата на Земята този процес води до факта, че количеството биомаса на живата материя има тенденция да бъде донякъде постоянно. Биомаса на екосферата (2 10|2t) е със седем порядъка по-малка от масата на земната кора (2 .10|9t). Растенията на Земята годишно произвеждат органична материя, равна на 1.6.10"% или 8% от биомасата на екосферата. Деструкторите, съставляващи по-малко от 1% от общата биомаса на организмите на планетата, обработват маса органична материя, която е 10 пъти по-голяма от собствената им биомаса. Средно периодът на обновяване на биомасата е 12,5 години. общото количество органична материя, преминала през глобалния биотичен цикъл и използвана от живота на планетата, ще бъде 2,10 " 2-5,ZL08/12,5=8,5L0|9t, което е 4 пъти повече от масата на земната кора. По отношение на тези изчисления Н.С. Печуркин (1988) пише: „Можем да кажем, че атомите, които изграждат нашите тела, са били в древни бактерии, и в динозаври, и в мамути.“

Закон за биогенната миграция на атомите V.I. Вернадски заявява: „Миграцията на химичните елементи на земната повърхност и в биосферата като цяло се извършва или с прякото участие на живата материя (биогенна миграция), или се извършва в среда, чиито геохимични характеристики (O2, CO2, H2, и т.н.) са определена жива материя, както тази, която в момента обитава биосферата, така и тази, която е действала на Земята през цялата геоложка история."

В И. Вернадски през 1928-1930 г в дълбоките си обобщения относно процесите в биосферата той дава представа за петте основни биогеохимични функции на живата материя.

Първата функция е газ.

Втората функция е концентрацията.

Третата функция е редокс.

Четвъртата функция е биохимична.

Петата функция е биогеохимичната дейност на човечеството, обхващаща все по-голямо количество материя в земната кора за нуждите на индустрията, транспорта и селското стопанство.

Биологичният цикъл варира в различните природни зони и се класифицира според набор от показатели: растителна биомаса, постеля, постеля, количеството на елементите, фиксирани в биомасата и др.

Общата биомаса е най-висока в горската зона, а делът на подземните органи в горите е най-нисък. Това се потвърждава от индекса на интензивност на биологичния цикъл - съотношението на масата на постелята към частта от постелята, която я образува.

Въглероден цикъл. От всички биогеохимични цикли въглеродният цикъл без съмнение е най-интензивен. Въглеродът циркулира с високи скорости между различни неорганични средства и чрез хранителни мрежи в общности от живи организми.

CO и CO2 играят определена роля в кръговрата на въглерода Често в биосферата на Земята въглеродът е представен от най-мобилната форма на CO2. Източникът на първичен въглероден диоксид в биосферата е вулканичната дейност, свързана с вековното дегазиране на мантията и долните хоризонти на земната кора.

Миграцията на CO2 в биосферата става по два начина.

Първият начин е да се усвои по време на фотосинтезата с образуването на глюкоза и други органични вещества, от които са изградени всички растителни тъкани. Впоследствие те се транспортират през хранителни вериги и образуват тъканите на всички други живи същества в екосистемата. При смъртта на растенията и животните на повърхността настъпва окисление на органични вещества с образуването на CO2.

Въглеродните атоми също се връщат в атмосферата, когато органичната материя се изгаря. Важна и интересна особеност на въглеродния цикъл е, че в далечни геоложки епохи, преди стотици милиони години, значителна част от органичната материя, създадена в процесите на фотосинтеза, не е била използвана нито от консументи, нито от разлагащи, а се е натрупвала в литосферата. под формата на изкопаеми горива: петрол, въглища, нефтени шисти, торф и т.н. Тези изкопаеми горива се добиват в огромни количества, за да задоволят енергийните нужди на нашето индустриално общество. Изгаряйки го, ние в известен смисъл завършваме въглеродния цикъл.

При втория начин въглеродната миграция се осъществява чрез създаване на карбонатна система в различни резервоари, където CO2 се трансформира в H2CO3, HCO, CO3. С помощта на калций (или магнезий), разтворен във вода, карбонатите (CaCO3) се утаяват по биогенни и абиогенни пътища. Образуват се дебели слоеве варовик. Според A.B. Ронов, съотношението на заровения въглерод във фотосинтетичните продукти към въглерода в карбонатните скали е 1:4. Наред с големия въглероден цикъл има и редица малки въглеродни цикли на земната повърхност и в океана.

Като цяло, без антропогенна намеса, съдържанието на въглерод в биогеохимичните резервоари: биосферата (биомаса + почва и детрит), седиментни скали, атмосфера и хидросфера, се поддържа с висока степен на постоянство (според T.A. Akimova, V.V. Haskin (1994) ). Постоянният обмен на въглерод, от една страна, между биосферата и от друга, между атмосферата и хидросферата, се определя от газовата функция на живата материя - процесите на фотосинтеза, дишане и разрушаване и възлиза на около 6-1010 тона/година има поток на въглерод в атмосферата и хидросферата и по време на вулканична дейност средно 4,5 106 т/год. Общата маса на въглерода в изкопаемите горива (нефт, газ, въглища и др.) се оценява на 3,2*1015 тона, което съответства на средна скорост на натрупване от 7 милиона тона/година. Това количество е незначително в сравнение с масата на циркулиращия въглерод и, така да се каже, изпадна от цикъла и се загуби в него. Следователно степента на отвореност (несъвършенство) на цикъла е 10"4, или 0,01%, и съответно степента на затваряне е 99,99%. Това означава, от една страна, че всеки въглероден атом е участвал в цикъла десетки хиляди пъти, преди да изпаднат от кръговрата, попаднали в дълбините, от друга страна, потоците на синтез и разпад на органични вещества в биосферата се напасват един към друг с много висока точност.

0,2% от мобилния въглероден запас е в постоянна циркулация. Въглеродът от биомаса се обновява за 12 години, а в атмосферата - за 8 години.

Цикъл на кислорода. Кислородът (O2) играе важна роля в живота на повечето живи организми на нашата планета. В количествено отношение това е основният компонент на живата материя. Например, ако вземем предвид водата, съдържаща се в тъканите, човешкото тяло съдържа 62,8% кислород и 19,4% въглерод. Като цяло в биосферата този елемент, в сравнение с въглерода и водорода, е основният сред простите вещества. В биосферата има бърза обмяна на кислород с живите организми или техните останки след смъртта. Растенията, като правило, произвеждат свободен кислород, а животните го консумират чрез дишане. Като най-разпространеният и подвижен елемент на Земята, кислородът не ограничава съществуването и функциите на екосферата, въпреки че наличието на кислород за водните организми може да бъде временно ограничено. Цикълът на кислорода в биосферата е изключително сложен, тъй като голям брой органични и неорганични вещества реагират с него. В резултат на това възникват много епицикли, възникващи между литосферата и атмосферата или между хидросферата и тези две среди. Кислородният цикъл по някакъв начин е подобен на обратния цикъл на въглеродния диоксид. Движението на единия става в посока, обратна на движението на другия.

Консумацията на атмосферен кислород и заместването му от първични производители става сравнително бързо. По този начин са необходими 2000 години, за да се обнови напълно целият атмосферен кислород. В наши дни не се натрупва кислород в атмосферата и съдържанието му (20,946%) остава постоянно.

В горните слоеве на атмосферата, когато ултравиолетовото лъчение действа върху кислорода, се образува озон - O3.

Около 5% от слънчевата енергия, достигаща до Земята, се изразходва за образуването на озон - около 8,6 * 1015 W. Реакциите са лесно обратими. Когато озонът се разпада, тази енергия се освобождава, което поддържа високи температури в горните слоеве на атмосферата. Средната концентрация на озон в атмосферата е около 106 об. %; максималната концентрация на O3 - до 4-10 "* об.% - се постига на надморска височина 20-25 km (T.A. Akimova, V.V. Haskin, 1998).

Озонът служи като вид UV филтър: той блокира значителна част от твърдите ултравиолетови лъчи. Вероятно образуването на озоновия слой е било едно от условията за появата на живот от океана и колонизирането на сушата.

По-голямата част от кислорода, произведен през геоложките епохи, не остава в атмосферата, а се фиксира от литосферата под формата на карбонати, сулфати, железни оксиди и др. Тази маса е 590 * 1014 тона срещу 39 * 1014 тона кислород, който циркулира в биосферата под формата на газ или сулфати, разтворени в континентални и океански води.

Цикъл на азота. Азотът е основен биогенен елемент, тъй като е част от протеините и нуклеиновите киселини. Цикълът на азота е един от най-сложните, тъй като включва както газови, така и минерални фази, и в същото време най-идеалните цикли.

Цикълът на азота е тясно свързан с цикъла на въглерода. По правило азотът следва въглерода, заедно с който участва в образуването на всички протеинови вещества.

Атмосферният въздух, съдържащ 78% азот, е неизчерпаем резервоар. Повечето живи организми обаче не могат директно да използват този азот. За да може азотът да бъде усвоен от растенията, той трябва да бъде част от амониеви (NH*) или нитратни (NO3) йони.

Азотният газ непрекъснато се отделя в атмосферата в резултат на работата на денитрифициращите бактерии, а фиксиращите бактерии, заедно със синьо-зелените водорасли (цианофити), постоянно го абсорбират, превръщайки го в нитрати.

Цикълът на азота е ясно видим на ниво деструктори. Протеините и другите форми на органичен азот, съдържащи се в растенията и животните след тяхната смърт, са изложени на хетеротрофни бактерии, актиномицети, гъби (биоредуциращи микроорганизми), които произвеждат енергията, от която се нуждаят, като редуцират този органичен азот, превръщайки го в амоняк.

В почвите протича процесът на нитрификация, състоящ се от верига от реакции, при които с участието на микроорганизми се извършва окислението на амониевия йон (NH4+) до нитрит (NO~) или нитрит до нитрат (N0~). Редукцията на нитритите и нитратите до газообразните съединения молекулярен азот (N2) или азотен оксид (N20) е същността на процеса на денитрификация.

Образуването на неорганични нитрати в малки количества постоянно се случва в атмосферата чрез свързване на атмосферния азот с кислород по време на електрически разряди по време на гръмотевични бури и след това падане с дъжд върху повърхността на почвата.

Друг източник на атмосферен азот са вулканите, които компенсират загубата на азот, изключен от цикъла по време на утаяване или отлагане на дъното на океаните.

Като цяло средният запас от нитратен азот от абиотичен произход по време на отлагането от атмосферата в почвата не надвишава 10 kg (година/ha), свободните бактерии произвеждат 25 kg (година/ha), докато симбиозата на Rhizobium с бобови растения произвежда средно 200 кг (година/ха). Преобладаващата част от фиксирания азот се преработва от денитрифициращи бактерии в N2 и се връща в атмосферата. Само около 10% от амонифицирания и нитрифицирания азот се абсорбира от почвата от висшите растения и се оказва на разположение на многоклетъчните представители на биоценозите

Цикъл на фосфора. Цикълът на фосфора в биосферата е свързан с метаболитните процеси в растенията и животните. Този важен и необходим елемент на протоплазмата, съдържащ се в сухоземните растения и водорасли 0,01-0,1%, животните от 0,1% до няколко процента, циркулира, като постепенно се превръща от органични съединения във фосфати, които отново могат да се използват от растенията.

Фосфорът обаче, за разлика от други биофилни елементи, не образува газова форма по време на миграцията. Резервоарът на фосфор не е атмосферата, както азота, а минералната част на литосферата. Основните източници на неорганичен фосфор са магмени скали (апатити) или седиментни скали (фосфорити). От скалите неорганичният фосфор се включва в циркулацията чрез излугване и разтваряне в континенталните води. Попадайки в земните екосистеми и почвата, фосфорът се абсорбира от растенията от воден разтвор под формата на неорганичен фосфатен йон и се включва в различни органични съединения, където се появява под формата на органичен фосфат. Фосфорът се движи през хранителните вериги от растенията до други организми в екосистемата.

Фосфорът се транспортира във водните екосистеми от течащи води. Реките непрекъснато обогатяват океаните с фосфати. Където фосфорът става част от фитопланктона. Някои фосфорни съединения мигрират в плитки дълбочини, като се консумират от организмите, докато другата част се губи на по-големи дълбочини. Мъртвите останки от организми водят до натрупване на фосфор на различна дълбочина.

Цикъл на сярата. Има множество газообразни серни съединения, като сероводород H2S и серен диоксид SO2. Въпреки това, преобладаващата част от цикъла на този елемент е седиментна по природа и се среща в почвата и водата. Наличието на неорганична сяра в екосистемата се улеснява от добрата разтворимост на много сулфати във вода. Растенията, абсорбиращи сулфати, ги редуцират и произвеждат съдържащи сяра аминокиселини (метионин, цистеин, цистин), които играят важна роля в развитието на третичната структура на протеините по време на образуването на дисулфидни мостове между различни зони на полипептидната верига.

Много основни характеристики на биогеохимичния цикъл са ясно видими:

1. Обширен резервен фонд в почвата и седиментите, по-малък в атмосферата.
2. Ключова роля в бързообменния фонд играят специализирани микроорганизми, които извършват определени окислителни или редукционни реакции. Благодарение на процесите на окисление и редукция, сярата се обменя между наличните сулфати (SO2") и железни сулфиди, намиращи се дълбоко в почвата и седиментите. Специализирани микроорганизми извършват реакциите:

S -> S -> SO2 - безцветни, зелени и лилави серни бактерии; "H2S (анаеробна редукция на сулфат) - Desulfovibno; H2S - "SO2" (аеробно окисление на сулфид) - тиобацил; органичен S в SO и H2S. - аеробни и анаеробни хетеротрофни микроорганизми, съответно.

Първичното производство осигурява включването на сулфата в органичната материя, а отделянето от животни служи като начин за връщане на сулфата в цикъла.

1. Микробна регенерация от дълбоководни седименти, водеща до движение нагоре на газовата фаза H2S.
2. Взаимодействие на геохимични и метеорологични процеси - ерозия, седиментация, излужване, дъжд, абсорбция-десорбция и др. с биологични процеси - производство и разлагане.
3. Взаимодействието на въздуха, водата и почвата в регулирането на кръговрата в глобален мащаб.

Като цяло екосистемата изисква по-малко сяра в сравнение с азот и фосфор. Следователно сярата по-рядко е ограничаващ фактор за растенията и животните. В същото време цикълът на сярата е ключов в цялостния процес на производство и разграждане на биомаса. Например, когато железни сулфиди се образуват в седименти, фосфорът се прехвърля от неразтворима форма в разтворима форма и става достъпен за организмите. Това е потвърждение за това как един цикъл се регулира от друг.

2 Енергиен поток в екосистемите

За разлика от веществата, които непрекъснато циркулират през различни блокове на екосистемата, които винаги могат да бъдат използвани повторно и да влязат в кръговрата, енергията може да се използва еднократно, т.е. има линеен поток на енергия през екосистемата.

Еднопосочният приток на енергия като универсално природно явление възниква в резултат на законите на термодинамиката.

Първият закон гласи, че енергията може да се преобразува от една форма (като светлина) в друга (като потенциалната енергия на храната), но не може да бъде създадена или унищожена.

Вторият закон гласи, че не може да има нито един процес, свързан с трансформацията на енергия, без да се загуби част от нея. Определено количество енергия при такива трансформации се разсейва в недостъпна топлинна енергия и следователно се губи. Следователно: не може да има трансформации, например, на хранителни вещества в веществото, което изгражда тялото на организма, да стават със 100% ефективност.

По този начин живите организми са преобразуватели на енергия. И всеки път, когато енергията се преобразува, част от нея се губи под формата на топлина. В крайна сметка цялата енергия, влизаща в биотичния цикъл на една екосистема, се разсейва като топлина. Живите организми всъщност не използват топлината като източник на енергия, за да извършват работа - те използват светлина и химическа енергия.

Хранителни вериги и мрежи, трофични нива. В рамките на една екосистема веществата, съдържащи енергия, се създават от автотрофни организми и служат за храна на хетеротрофите. Хранителните връзки са механизми за пренос на енергия от един организъм към друг.

Типичен пример: животно яде растения. Това животно от своя страна може да бъде изядено от друго животно. По този начин може да се пренася енергия през редица организми – всеки следващ се храни с предходния, който го снабдява със суровини и енергия.

Тази последователност на пренос на енергия се нарича хранителна (трофична) верига или хранителна верига. Местоположението на всяко звено в хранителната верига е трофично ниво. Първото трофично ниво, както беше отбелязано по-рано, е заето от автотрофи или така наречените първични производители. Организмите от второто трофично ниво се наричат ​​първични консументи, третото - вторични консументи и т.н.

Като цяло има три вида хранителни вериги на месоядните животни, които започват с растенията и преминават от малки организми към все по-големи организми. На сушата хранителните вериги се състоят от три до четири звена.

Една от най-простите хранителни вериги изглежда така:

растение -> заек -> вълк

производител -" тревопасно -> -> месоядно

Следните хранителни вериги също са широко разпространени:

Растителен материал (напр. нектар) - "муха -" -" паяк -> земеровки -> бухал.

Розов храст -> листна въшка -> -> калинка -> -> паяк - "насекомоядна птица -> граблива птица.

Във водните и по-специално в морските екосистеми хранителните вериги на хищниците обикновено са по-дълги, отколкото в сухоземните.

Третият тип хранителни вериги, започващи с мъртви растителни останки, трупове и животински екскременти, се наричат ​​детритни (сапрофитни) хранителни вериги или вериги на детритно разлагане. Широколистните гори играят важна роля в разрушителните хранителни вериги на сухоземните екосистеми, по-голямата част от листата на които не се консумират от тревопасните животни и са част от отпадъците от паднали листа. Листата се смачкват от множество детритояди - гъбички, бактерии, насекоми (например колембола) и др., След което се поглъщат от земни червеи, които равномерно разпределят хумуса в повърхностния слой на земята, образувайки така наречения мул. На това ниво гъбите развиват мицел. Разлагащите се микроорганизми, които завършват веригата, произвеждат окончателната минерализация на мъртвата органична материя. Като цяло, типичните детритни хранителни вериги на нашите гори могат да бъдат представени, както следва:

Листовка -> земен червей -> кос - врабче;

Мъртво животно - "ларви на мършави мухи -" тревна жаба -> обикновен смок.

В дискутираните диаграми на хранителната верига всеки организъм е представен като хранещ се с други организми от един тип. Действителните хранителни връзки в една екосистема са много по-сложни, тъй като едно животно може да се храни с организми от различни видове от една и съща хранителна верига или от различни хранителни вериги, например хищници от горните трофични нива. Животните често се хранят както с растения, така и с други животни. Те се наричат ​​всеядни.

Хранителните мрежи в екосистемите са много сложни и можем да заключим, че енергията, която влиза в тях, отнема много време, за да мигрира от един организъм към друг.

Екологични пирамиди. Във всяка екосистема хранителните мрежи имат добре дефинирана структура, която се характеризира с естеството и броя на организмите, представени на всяко ниво на различните хранителни вериги. За да изучават връзките между организмите в една екосистема и да ги изобразяват графично, те обикновено използват екологични пирамиди, а не диаграми на хранителна мрежа. Екологичните пирамиди изразяват трофичната структура на една екосистема в геометрична форма. Те са изградени под формата на правоъгълници с еднаква ширина, но дължината на правоъгълниците трябва да бъде пропорционална на стойността на измервания обект. От тук можете да получите пирамиди от числа, биомаса и енергия.

Екологичните пирамиди отразяват основните характеристики на всяка биоценоза, когато показват нейната трофична структура.

• тяхната височина е пропорционална на дължината на въпросната хранителна верига, т.е. на броя на трофичните нива, които съдържа;
• тяхната форма повече или по-малко отразява ефективността на енергийните трансформации по време на прехода от едно ниво на друго.

Пирамиди от числа. Те представляват най-простото приближение към изследването на трофичната структура на една екосистема.

Пирамида от биомаса. Отразява по-пълно хранителните отношения в екосистемата, тъй като отчита общата маса на организмите (биомаса) на всяко трофично ниво.

Пирамида на енергията. Най-фундаменталният начин за показване на връзките между организмите на различни трофични нива е чрез енергийни пирамиди. Те представляват ефективността на енергийното преобразуване и производителността на хранителните вериги и са изградени чрез отчитане на количеството енергия (kcal), натрупано на единица повърхност за единица време и използвано от организмите на всяко трофично ниво.

Слънчевата енергия, получена от растението, се използва само частично в процеса на фотосинтеза. Енергията, фиксирана във въглехидратите, представлява брутното производство на екосистемата. Въглехидратите се използват за изграждане на протоплазма и растеж на растенията. Част от енергията им се изразходва за дишане.

Консуматорите от втори ред (хищници) не унищожават цялата биомаса на своите жертви. Освен това, от количеството, което унищожават, само част се използва за създаване на биомаса на собственото им трофично ниво. Останалата част се изразходва главно за дихателна енергия и се отделя с екскременти и екскременти.

През 1942 г. Р. Линдеман за първи път формулира закона за пирамидата на енергиите, който в учебниците често се нарича "закон за 10%". Според този закон средно не повече от 10% от енергията преминава от едно трофично ниво на екологичната пирамида на друго ниво.

Само 10-20% от първоначалната енергия се прехвърля на следващите хетеротрофи. Използвайки закона на енергийната пирамида, е лесно да се изчисли, че количеството енергия, достигащо до третични месоядни (трофично ниво V), е около 0,0001 от енергията, погълната от производителите. От това следва, че преносът на енергия от едно ниво на друго става с много ниска ефективност. Това обяснява ограничения брой връзки в хранителната верига, независимо от определена биоценоза.

E. Odum (1959) в изключително опростена хранителна верига - люцерна -> теле - "детето оцени трансформацията на енергията, илюстрира големината на нейните загуби. Да кажем, разсъждава той, има култури от люцерна на площ от 4 хектара.На това поле се хранят телета (предполага се, че се хранят само с люцерна), а 12-годишно момче се храни изключително с телешко. показват, че люцерната използва само 0,24% от цялата слънчева енергия, попадаща на полето; телето усвоява 8,% от този продукт и само 0,7% от биомасата на телето осигурява развитието на детето през годината.

По този начин E. Odum показа, че само една милионна от падащата слънчева енергия се превръща в биомаса на месоядни животни, в този случай допринасяйки за увеличаване на теглото на детето, а останалата част се губи и се разсейва в разградена форма в околната среда. Горният пример ясно илюстрира много ниската екологична ефективност на екосистемите и ниската ефективност на трансформацията в хранителните вериги. Можем да кажем следното: ако 1000 kcal (ден m 2), записани от производителите, след това 10 kcal (ден m 2) отива в биомасата на тревопасните животни и само 1 kcal (ден m 2) - в биомасата на месоядните животни. Тъй като определено количество вещество може да се използва от всяка биоценоза многократно и част от енергията веднъж, по-целесъобразно е да се каже, че в екосистемата се извършва каскаден трансфер на енергия.

Потребителите служат като управляваща и стабилизираща връзка в екосистемата.

Потребителите генерират спектър от разнообразие в ценозата, предотвратявайки монопола на доминантите. Правилото за контролната стойност на потребителите с право може да се счита за доста фундаментално. Според кибернетичните възгледи системата за управление трябва да бъде по-сложна по структура от управляваната, тогава става ясна причината за множеството видове инструменти. Контролното значение на консуматорите има и енергийна основа. Потокът на енергия през едно или друго трофично ниво не може да се определи абсолютно от наличието на храна в подлежащото трофично ниво. Както е известно, винаги остава достатъчен „резерв“, тъй като пълното унищожаване на храната би довело до смъртта на потребителите. Тези общи модели се наблюдават в рамките на популационните процеси, съобществата, нивата на екологичната пирамида и биоценозите като цяло.

3 Динамични процеси, които гарантират целостта и устойчивостта на екосистемите

Цикличните промени в общностите отразяват ежедневната, сезонната и дългосрочната периодичност на външните условия и проявата на ендогенни ритми на организмите. Ежедневната динамика на екосистемите е свързана главно с ритъма на природните явления и има строго периодичен характер. Вече разгледахме, че във всяка биоценоза има групи от организми, чиято жизнена активност протича по различно време на деня. Някои са активни през деня, други през нощта. Следователно настъпват периодични промени в състава и съотношението на отделните видове биоценоза на дадена екосистема, тъй като отделните организми се изключват от нея за определено време. Дневната динамика на биоценозата се осигурява както от животни, така и от растения. Както е известно, интензивността и естеството на физиологичните процеси в растенията се променят през деня - фотосинтезата не се извършва през нощта, често цветята в растенията се отварят само през нощта и се опрашват от нощни животни, други са адаптирани към опрашване през деня. Ежедневната динамика в биоценозите, като правило, е по-изразена, колкото по-голяма е разликата в температурата, влажността и други фактори на околната среда между деня и нощта.

По-значителни отклонения в биоценозите се наблюдават със сезонна динамика. Това се дължи на биологичните цикли на организмите, които зависят от сезонната цикличност на природните явления. По този начин промяната на сезона оказва значително влияние върху жизнената активност на животните и растенията (хибернация, зимен сън, диапауза и миграция при животните; периоди на цъфтеж, плод, активен растеж, падане на листата и зимен покой при растенията). Многослойната структура на биоценозата често е подложена на сезонна променливост. Отделни слоеве растения могат напълно да изчезнат в съответните сезони на годината, например тревист слой, състоящ се от едногодишни. Продължителността на биологичните сезони е различна на различните географски ширини. В това отношение сезонната динамика на биоценозите в арктическия, умерения и тропическия пояс е различна. Най-ярко е изразено в умерените климатични екосистеми и северните ширини.

Дългосрочната променливост е нормална в живота на всяка биоценоза. По този начин количеството на валежите, падащи в Барабинската лесостеп, варира рязко от година на година; редица сухи години се редуват с дългосрочни периоди на обилни валежи. Това има значително въздействие върху растенията и животните. В този случай възниква развитието на екологични ниши - функционално разграничаване в възникващия набор или добавянето му с малко разнообразие.

Дългосрочните промени в състава на биоценозите се повтарят и във връзка с периодични промени в общата циркулация на атмосферата, което от своя страна се причинява от увеличаване или намаляване на слънчевата активност.

В процеса на дневна и сезонна динамика целостта на биоценозите обикновено не се нарушава. Биоценозата изпитва само периодични колебания в качествените и количествените характеристики.

Прогресивните промени в екосистемата в крайна сметка водят до замяната на една биоценоза с друга, с различен набор от доминиращи видове. Причините за такива промени могат да бъдат фактори, външни за биоценозата, които действат дълго време в една посока, например увеличаване на замърсяването на водните тела, увеличаване на изсушаването на блатните почви в резултат на рекултивация, повишена паша и др. Тези промени от една биоценоза в друга се наричат ​​екзогенетични. В случай, че нарастващото влияние на даден фактор води до постепенно опростяване на структурата на биоценозата, изчерпване на техния състав и намаляване на производителността, такива промени се наричат ​​дигресивни или дигресивни.

Ендогенетичните промени възникват в резултат на процеси, протичащи в самата биоценоза. Последователното заместване на една биоценоза с друга се нарича екологична сукцесия (от лат. - сукцесия - последователност, промяна). Сукцесията е процес на саморазвитие на екосистемите. Сукцесията се основава на незавършеността на биологичния цикъл в дадена биоценоза. Известно е, че живите организми в резултат на своята жизнена дейност променят околната среда около себе си, премахвайки някои вещества от нея и я насищайки с метаболитни продукти. Когато популациите съществуват относително дълго време, те променят средата си в неблагоприятна посока и в резултат на това се оказват изместени от популации на други видове, за които произтичащите от това екологични трансформации се оказват екологично полезни. Така в биоценозата настъпва смяна на доминиращите видове. Тук ясно се вижда правилото (принципа) на екологично дублиране. Продължителното съществуване на биоценоза е възможно само ако промените в околната среда, причинени от дейността на едни живи организми, са благоприятни за други с противоположни изисквания.

Въз основа на конкурентните взаимодействия на видовете по време на сукцесията, постепенно се формират по-стабилни комбинации, които съответстват на специфични абиотични условия на околната среда. Пример за приемственост, водеща до замяната на една общност с друга, е обрастването на малко езеро, последвано от появата на блато и след това на гора на негово място.

Първо, по краищата на езерото се образува плаващ килим - плаващ килим от острици, мъхове и други растения. Езерото е постоянно запълнено с мъртви растителни останки - торф. Образува се блато, постепенно обрасло с гора. Последователна поредица от общности, които постепенно и естествено се заместват една друга последователно, се нарича последователна поредица.

Сукцесиите в природата са изключително разнообразни по мащаб. Могат да се наблюдават в брегове с култури, които са планктонни съобщества - различни видове плаващи водорасли и техните консументи - ротифери, флагелати в локви и езера, блата, ливади, гори, изоставени обработваеми земи, изветрели скали и др. Има йерархия в организацията на екосистемите Проявява се и в сукцесионни процеси - по-големите трансформации на биоценозите се изграждат от по-малки. В стабилни екосистеми с регулиран кръговрат на веществата непрекъснато протичат и локални сукцесионни промени, поддържащи сложната вътрешна структура на общностите.

Видове наследствени промени. Различават се два основни типа сукцесионни промени: 1 - с участието на автотрофни и хетеротрофни популации; 2 - с участието само на хетеротрофи. Сукцесията от втори тип се среща само в условия, при които се създава предварителен или постоянен запас от органични съединения, поради които общността съществува: в купчини или купчини оборски тор, в разлагаща се растителна маса, в замърсени с органични вещества водоеми и др.

Процес на наследяване. Според Ф. Клементс (1916) процесът на наследяване се състои от следните етапи:

1. Появата на зона, незаета от живот.
2. Миграция на различни организми или техните рудименти върху него.
3. Установяването им в тази област.
4. Конкуренцията им помежду им и изместването на определени видове.
5. Трансформация на местообитанията от живи организми, постепенно стабилизиране на условията и взаимоотношенията.

Сукцесията със смяна на растителността може да бъде първична и вторична.

Първичната сукцесия е процесът на развитие и промяна на екосистемите в необитаеми преди това райони, започващ с тяхното колонизиране. Класически пример е постоянното обрастване на оголени скали с евентуално развитие на гори върху тях. По този начин в първичните сукцесии, възникващи върху скалите на Уралските планини, се разграничават следните етапи:

1. Заселване от ендолитни и корови лишеи, изцяло покриващи скалната повърхност. Коровите лишеи носят уникална микрофлора и съдържат богата фауна от протозои, ротифери и нематоди. Малките акари - сапрофаги и предимно безкрили насекоми - първо се срещат само в пукнатини. Активността на цялото население е непостоянна, наблюдава се главно след валежи под формата на дъжд или намокряне на скали с влага от мъгли. Тези съобщества от организми се наричат ​​пионерни съобщества.
2. Преобладаването на фолиозни лишеи, които постепенно образуват непрекъснат килим. Под кръговете на лишеите в резултат на отделяните от тях киселини и механичното свиване на талусите по време на сушенето се образуват вдлъбнатини, талусите отмират и се натрупва детрит. Под лишеите се срещат в големи количества дребни членестоноги: пролетни опашки, арибатидни акари, ларви на комари тласкачи, бръмбари и др. Образува се микрохоризонт, състоящ се от техните екскременти.
3. Заселване на литофилни мъхове Hedwidia и Pleurozium schreberi. Под тях са погребани лишеи и сублихенни почви. Ризоидите на мъха тук са прикрепени не към камък, а към фина пръст, която е с дебелина най-малко 3 см. Колебанията в температурата и влажността под мъховете са няколко пъти по-малки, отколкото под лишеите. Повишава се активността на микроорганизмите, увеличава се разнообразието на животинските групи.
4. Външен вид на хипнови мъхове и васкуларни растения. При разграждането на растителните остатъци и формирането на почвения профил ролята на малките членестоноги постепенно намалява и се увеличава участието на по-големите безгръбначни сапрофаги: енхитреиди, земни червеи и ларви на насекоми.
5. Колонизация от големи растения, насърчаване на по-нататъшно натрупване и образуване на почва. Неговият слой е достатъчен за развитието на храсти и дървета. Техните падащи листа и клони предотвратяват растежа на мъхове и повечето други малки видове, които са започнали наследяване. И така, постепенно върху първоначално голите скали протича процес на замяна на лишеи с мъхове, мъхове с треви и накрая гора. Такива сукцесии в геоботаниката се наричат ​​екогенетични, тъй като водят до трансформация на самото местообитание.

Вторичната сукцесия е възстановяването на екосистема, която някога е съществувала в дадена област. Започва, когато установените взаимоотношения на организмите в установена биоценоза се нарушат в резултат на вулканично изригване, пожар, сеч, оран и др. Промените, водещи до възстановяване на предишната биоценоза, се наричат ​​демутационни в геоботаниката. Пример е динамиката на видовото разнообразие на остров Кракатау след пълното унищожаване на местната флора и фауна от вулкан. Друг пример е вторичната сукцесия на сибирската тъмна иглолистна гора (елово-кедрова тайга) след опустошителен горски пожар. В по-изгорените райони пионерните мъхове се появяват от спори, разнесени от вятъра: 3-5 години след пожар най-разпространеният „огнен мъх“ е Funaria hygrometrica, Geratodon purpureus и др. Сред висшите растения много бързо се появява огнището (Chamaenerion angustifolium). колонизира опожарени площи), които още след 2-3 месеца цъфтят обилно в пожара, както и смляна тръстика (Calamagrostis epigeios) и други видове.

Наблюдават се по-нататъшни фази на сукцесия: тръстиковата поляна отстъпва място на храсти, след това брезова или трепетликова гора, смесена борова гора, борова гора, борово-кедрова гора и накрая, след 250 години, настъпва възстановяване на кедрово-елова гора .

Вторичните сукцесии по правило протичат по-бързо и по-лесно от първичните, тъй като в нарушеното местообитание се запазва почвеният профил, семената, примордиите и част от предишната популация и предишни връзки. Демутацията не е повторение на нито един етап от първичната приемственост.

Кулминационна екосистема. Наследяването завършва с етап, когато всички видове от екосистемата, докато се възпроизвеждат, поддържат относително постоянен брой и не настъпват допълнителни промени в състава му. Това състояние на равновесие се нарича климакс, а екосистемата се нарича климакс. При различни абиотични условия се формират различни климаксни екосистеми. В горещ и влажен климат това ще бъде тропическа гора, в сух и горещ климат ще бъде пустиня. Основните биоми на земята са кулминационните екосистеми на съответните им географски области.

Промени в екосистемата по време на сукцесия. Производителност и биомаса. Както вече беше отбелязано, сукцесията е естествен, насочен процес и промените, настъпващи на един или друг етап, са характерни за всяка общност и не зависят от нейния видов състав или географско местоположение.

Има четири основни вида промени в наследството:

1. По време на процеса на сукцесия видовете растения и животни непрекъснато се променят.
2. Сукцесионните промени винаги са придружени от увеличаване на видовото разнообразие на организмите.
3. Биомасата на органичната материя се увеличава по време на сукцесията.
4. Намаляването на нетната продукция на дадена общност и увеличаването на скоростта на дишане са най-важните явления на сукцесията.

Трябва също да се отбележи, че промяната на фазите на наследяване се извършва в съответствие с определени правила. Всяка фаза подготвя средата за появата на следващата. Тук действа законът за последователността на преминаване на фазите на развитие; фазите на развитие на природната система могат да следват само в еволюционно фиксиран (исторически, екологично обусловен) ред, обикновено от относително прости към сложни, като правило, без загуба на на междинни етапи, но вероятно с тяхното много бързо преминаване или еволюционно фиксирана липса. Когато една екосистема наближи състояние на менопауза, в нея, както във всички равновесни системи, всички процеси на развитие се забавят. Тази ситуация е отразена в закона за последователно забавяне: процесите, протичащи в зрели равновесни екосистеми, които са в стабилно състояние, като правило са склонни да се забавят. В този случай възстановителният тип приемственост преминава в техния светски ход, т.е. саморазвитието се случва в рамките на менопаузата или възловото развитие. Емпиричният закон за забавяне на последователността е следствие от правилото на G. Odum и R. Pinkerton или правилото за максимална енергия за поддържане на зряла система: последователността протича в посока на фундаментално изместване на потока на енергия към увеличаване на неговата количество, насочено към поддържане на системата. Правилото на Г. Одум и Р. Пинкертон от своя страна се основава на правилото за максимална енергия в биологичните системи, формулирано от А. Лотка. Този въпрос по-късно беше добре разработен от R. Margalef, Y. Odum и е известен като доказателство за принципа на „нулев максимум“ или минимален растеж в зряла екосистема: екосистема в последователно развитие има тенденция да образува най-голямата биомаса с най-малко биологична продуктивност.

Линдеман (1942) експериментално доказва, че сукцесията е придружена от увеличаване на производителността до климаксната общност, в която преобразуването на енергията се извършва най-ефективно. Данните от изследванията на сукцесията на дъбови и ясенови гори показват, че в по-късните етапи продуктивността им действително нараства. Въпреки това, по време на прехода към кулминационна общност обикновено има намаляване на общата производителност. По този начин производителността в старите гори е по-ниска, отколкото в младите гори, които от своя страна могат да бъдат по-малко продуктивни от по-богатите на видове тревни слоеве, които ги предхождат. Подобни спадове в продуктивността са наблюдавани в някои водни системи. Причините за това са няколко. Едно от тях е, че натрупването на хранителни вещества в растящата горска биомаса може да доведе до намаляване на техния цикъл. Спадът в общата производителност може просто да бъде резултат от намалената жизненост на индивидите, тъй като средната им възраст в общността се увеличава.

С напредването на сукцесията все по-голяма част от наличните хранителни вещества се натрупват в биомасата на общността и съответно съдържанието им в абиотичния компонент на екосистемата (в почвата или водата) намалява.

Количеството на произведения детрит също се увеличава. Основните първични потребители не са тревопасни, а детритоядни организми. Съответни промени настъпват и в трофичните мрежи. Детритът става основният източник на хранителни вещества.

По време на сукцесията се увеличава затвореността на биогеохимичните цикли на веществата. Приблизително 10 години от момента, в който започне възстановяването на растителната покривка, отвореността на циклите намалява от 100 до 10%, а след това намалява още повече, достигайки минимум във фазата на кулминацията. Правилото за нарастваща затвореност на биогеохимичния цикъл на веществата по време на сукцесията, може да се каже с пълна увереност, се нарушава от антропогенната трансформация на растителността и природните екосистеми като цяло. Несъмнено това води до дълга поредица от аномалии в биосферата и нейните подразделения.

Намаляването на видовото разнообразие по време на менопаузата не означава ниското му екологично значение. Разнообразието от видове оформя последователността, нейната посока и гарантира, че реалното пространство е изпълнено с живот. Недостатъчен брой видове, съставляващи комплекса, не биха могли да образуват последователна серия и постепенно, с унищожаването на кулминационните екосистеми, ще настъпи пълно опустиняване на планетата. Стойността на разнообразието е функционална както статично, така и динамично. Трябва да се отбележи, че когато видовото разнообразие не е достатъчно за формиране на биосферата, която служи като основа за нормалното естествено протичане на сукцесионния процес, и самата среда е рязко нарушена, сукцесията не достига кулминационната фаза, а завършва с възлова общност - параклимакс, дълготрайна или краткотрайна производна общност. Колкото по-дълбоко е нарушението на околната среда на дадено пространство, толкова по-ранни фази завършва сукцесията.

Когато един или група видове са загубени в резултат на тяхното унищожаване (антропогенно изчезване на местообитания, по-рядко изчезване), постигането на менопаузата не е пълно възстановяване на естествената среда. Всъщност това е нова екосистема, тъй като в нея са възникнали нови връзки, много стари са изгубени и се е развило различно „изтриване“ на видовете. Екосистемата не може да се върне в старото си състояние, тъй като изгубен вид не може да бъде възстановен.

Когато някой абиотичен или биотичен фактор се промени, например с продължително охлаждане или въвеждането на нов вид, вид, който е слабо адаптиран към новите условия, ще се изправи пред един от трите пътя.

1. миграция. Част от популацията може да мигрира, да намери местообитания с подходящи условия и да продължи да съществува там.
2. Адаптация. Генофондът може да съдържа алели, които ще позволят на индивидите да оцелеят в нови условия и да оставят потомство. След няколко поколения под въздействието на естествения подбор възниква популация, която е добре приспособена към променените условия на съществуване.
3. Изчезване. Ако нито един индивид от популацията не може да мигрира, страхувайки се от влиянието на неблагоприятни фактори, и те надхвърлят границите на стабилността на всички индивиди, тогава популацията ще измре и нейният генофонд ще изчезне. Ако някои видове изчезнат, а оцелелите индивиди от други се възпроизвеждат, адаптират и променят под въздействието на естествения подбор, можем да говорим за еволюционна приемственост

Законът за еволюционно-екологичната необратимост гласи, че екосистема, която е загубила част от своите елементи или е била заменена с друга в резултат на дисбаланс на екологични компоненти, не може да се върне към първоначалното си състояние по време на сукцесия, ако по време на промените еволюционно (микроеволюционно ) настъпили промени в екологични елементи (запазени или временно изгубени). В случай, че някои видове са загубени в междинни фази на сукцесия, тази загуба може да бъде функционално компенсирана, но не напълно. Когато разнообразието намалее над критично ниво, ходът на последователността се изкривява и всъщност не може да се постигне кулминация, идентична с миналото.

За оценка на природата на възстановените екосистеми е важен законът за еволюционно-екологичната необратимост. Със загубата на елементи, това всъщност са напълно нови екологични природни образувания с новообразувани модели и връзки. Така пренасянето в миналото на вид, изпаднал от екосистемата при реаклиматизацията му, не означава механичното му връщане. Това всъщност е въвеждането на нов вид в една обновена екосистема, подчертаваща посоката на еволюцията не само на ниво биосистема, но и на всички други йерархични нива на биотата.

4 Биосферата като глобална екосистема, която осигурява целостта и устойчивостта на екосистемите

Биосферата е глобална екосистема. Както беше отбелязано по-рано, биосферата е разделена на геобиосфера, хидробиосфера и аеробиосфера (фиг. 2.4). Геобиосферата има подразделения в съответствие с основните средообразуващи фактори: терабиосфера и литобиосфера - в рамките на геобиосферата, маринобиосфера (океанобиосфера) и аквабиосфера - в рамките на хидробиосферата. Тези образувания се наричат ​​субсфери. Водещ средообразуващ фактор при тяхното формиране е физическата фаза на жизнената среда: въздушно-водна в аеробиосферата, водно-сладководна и солена вода в хидробиосферата, твърдо-въздушна в терабиосферата и твърда вода в литобиосферата.

На свой ред всички те попадат в слоеве: аеробиосферата - в тропобиосферата и алтобиосферата; хидробиосфера - на фотосфера, дисфотосфера и афотосфера.

Структурообразуващите фактори тук, в допълнение към физическата среда, енергията (светлина и топлина), специални условия за формиране и еволюция на живота - еволюционните посоки на проникване на биотата на сушата, в нейните дълбини, в пространствата над земята, бездната на океана, несъмнено са различни. Заедно с апобиосферата, парабиосферата и други суб- и над-биосферни слоеве, те съставляват така наречената „слоеста торта на живота“ и геосферата (екосферата) на неговото съществуване в границите на мегабиосферата.

В системен смисъл изброените образувания са големи функционални части с практически универсални или субпланетни измерения.

Учените смятат, че в биосферата има най-малко 8-9 нива на относително независими кръговрата на веществата в рамките на взаимовръзката на 7 основни материално-енергийни екологични компоненти и 8-та - информационна.

Глобалните, регионалните и локалните цикли на веществата не са затворени и частично се „пресичат“ в йерархията на екосистемата. Това материално-енергийно и отчасти информационно „свързване“ осигурява целостта на екологичните суперсистеми до биосферата като цяло.

Целостта и устойчивостта на екосистемите. Биосферата се формира в по-голяма степен не от външни фактори, а от вътрешни модели. Най-важното свойство на биосферата е взаимодействието на живи и неживи същества, което е отразено в закона за биогенната миграция на атомите от В. И. Вернадски.

Законът за биогенната миграция на атомите дава възможност на човечеството съзнателно да контролира биогеохимичните процеси както на Земята като цяло, така и в нейните региони.

Количеството жива материя в биосферата, както е известно, не подлежи на забележими промени. Този модел е формулиран под формата на закона за постоянство на количеството жива материя от V.I. Вернадски: количеството жива материя в биосферата за даден геоложки период е константа. На практика този закон е количествено следствие от закона за вътрешното динамично равновесие за глобалната екосистема – биосферата. Тъй като живата материя, в съответствие със закона за биогенната миграция на атомите, е енергиен посредник между Слънцето и Земята, нейното количество или трябва да бъде постоянно, или нейните енергийни характеристики трябва да се променят. Законът за физическото и химическото единство на живата материя (цялата жива материя на Земята е физически и химически единна и изключва значителни промени в последното свойство. Следователно количествената стабилност е неизбежна за живата материя на планетата. Тя е напълно характерна за броя на видовете.

Живата материя, като акумулатор на слънчева енергия, трябва едновременно да реагира както на външни (космически) въздействия, така и на вътрешни промени. Намаляването или увеличаването на количеството жива материя на едно място от биосферата трябва да доведе до точно обратния процес на друго място, тъй като освободените хранителни вещества могат да бъдат усвоени от останалата жива материя или ще се наблюдава техен дефицит. Тук трябва да се има предвид скоростта на процеса, която при антропогенното изменение е много по-ниска от прякото нарушаване на природата от човека.

В допълнение към постоянството и постоянството на количеството на живата материя, което се отразява в закона за физическото и химичното единство на живата материя, в живата природа има постоянно запазване на информационната и соматичната структура, въпреки факта, че тя се променя донякъде с хода на еволюцията. Това свойство е отбелязано от Ю. Голдсмит (1981) и е наречено закон за запазване на структурата на биосферата - информационен и соматичен, или първи закон на екодинамиката.

За да запазят структурата на биосферата, живите същества се стремят да постигнат състояние на зрялост или екологичен баланс. Законът за желанието за менопауза - вторият закон на екодинамиката на Ю. Голдсмит, важи за биосферата и другите нива на екологичните системи, въпреки че има специфика - биосферата е по-затворена система от нейните подразделения. Единството на живата материя на биосферата и хомологията на структурата на нейните подсистеми водят до факта, че възникналите върху нея живи елементи от различни геоложки епохи и първоначален географски произход са сложно преплетени еволюционно. Преплитането на елементи от различен пространствено-времеви генезис на всички екологични нива на биосферата отразява правилото или принципа на хетерогенезата на живата материя. Това добавяне не е хаотично, а е подчинено на принципите на екологичното допълване, екологичното съответствие (конгруентност) и други закони. В рамките на екодинамиката на Ю. Голдсмит това е нейният трети закон - принципът на екологичния ред, или екологичният мутуализъм, показващ глобално свойство, дължащо се на влиянието на цялото върху неговите части, обратното влияние на диференцираните части върху развитие на цялото и др., което общо води до консервационна устойчивост на биосферата като цяло.

Взаимната помощ в рамките на екологичния ред или системния мутуализъм се утвърждава от закона за подредеността на запълването на пространството и пространствено-времевата сигурност: запълването на пространството в рамките на една природна система, поради взаимодействието между нейните подсистеми, е подредено в такъв начин, който позволява хомеостатичните свойства на системата да бъдат реализирани с минимални противоречия между частите в нея. От този закон следва, че дългосрочното съществуване на „ненужни“ за природата аварии, включително чужди за нея човешки творения, е невъзможно. Правилата на мутуалистичния системен ред в биосферата включват и принципа на системното допълване, който гласи, че подсистемите на една природна система в своето развитие осигуряват предпоставка за успешното развитие и саморегулация на други подсистеми, включени в същата система.

Четвъртият закон на екодинамиката на Ю. Голдсмит включва закона за самоконтрол и саморегулация на живите същества: живите системи и системите под контролното влияние на живите същества са способни на самоконтрол и саморегулация в процеса на тяхното адаптация към промените в околната среда. В биосферата самоконтролът и саморегулацията възникват по време на каскадни и верижни процеси на общо взаимодействие - по време на борбата за съществуване на естествения подбор (в най-широкия смисъл на това понятие), адаптация на системи и подсистеми, широка коеволюция и т.н. Освен това всички тези процеси водят до положителни резултати "от гледна точка" на природата - запазването и развитието на екосистемите на биосферата и нея като цяло.

Свързващата връзка между обобщенията от структурен и еволюционен характер е правилото за автоматично поддържане на глобалното местообитание: живата материя в процеса на саморегулация и взаимодействие с абиотични фактори автодинамично поддържа жизнена среда, подходяща за нейното развитие. Този процес е ограничен от промените в космическия и глобалния мащаб на екосферата и протича във всички екосистеми и биосистеми на планетата, като каскада от саморегулация, достигаща глобален мащаб. Правилото за автоматично поддържане на глобалното местообитание следва от биогеохимичните принципи на V.I. Вернадски, правилата за запазване на местообитанията на видовете, относителна вътрешна последователност и служи като константа за наличието на консервативни механизми в биосферата и в същото време потвърждава правилото за системно-динамично допълване.

Космическото въздействие върху биосферата се доказва от закона за пречупване на космическите въздействия: космическите фактори, оказващи влияние върху биосферата и особено нейните подразделения, са обект на промяна от екосферата на планетата и следователно по сила и време , проявите могат да бъдат отслабени и изместени или дори напълно да загубят ефекта си. Обобщението тук е важно поради факта, че често има поток от синхронни ефекти на слънчевата активност и други космически фактори върху екосистемите на Земята и организмите, които я обитават.

Трябва да се отбележи, че много процеси на Земята и в нейната биосфера, макар и подложени на влиянието на космоса, се приемат цикли на слънчева активност с интервали от 1850, 600, 400, 178, 169, 88, 83, 33, 22, 16 , 11, 5 (11 ,1), 6,5 и 4,3 години, самата биосфера и нейните подразделения не е задължително да реагират с една и съща цикличност във всички случаи. Космическите влияния на биосферната система могат да бъдат блокирани напълно или частично.

Заключение

Екосистемите са основната функционална единица в екологията, тъй като включват организми и нежива среда - компоненти, които взаимно влияят взаимно върху свойствата и необходимите условия за поддържане на живота във формата, която съществува на Земята. Комбинацията от специфична физикохимична среда (биотоп) със съобщество от живи организми (биоценоза) образува екосистема.

Има микроекосистеми, мезоекосистеми и глобалната екосистема - биосферата.

Екосистемите не са разпръснати в безпорядък, напротив, те са групирани в доста правилни зони, както хоризонтално (по ширина), така и вертикално (по височина).

Основният източник на енергия за екосистемите е Слънцето. Слънчевата радиация, падаща върху повърхността на Земята, е 1,54 милиона EJ годишно. По-голямата част от слънчевата енергия, която достига повърхността на планетата, се преобразува директно в топлина, затопляйки водата или почвата, което от своя страна затопля въздуха. Екосистемите съществуват благодарение на незамърсяващата и почти вечна слънчева енергия, чието количество е относително постоянно и изобилно. Слънчевата енергия на Земята предизвиква два цикъла на веществата: голям, или геоложки, и малък, биологичен (биотичен). И двата цикъла са взаимно свързани и представляват като че ли един процес.

Наличието на биогеохимични цикли или биогеохимични цикли създава възможност за саморегулиране (хомеостаза) на системата, което дава стабилност на екосистемата: удивително постоянство на процентното съдържание на различни елементи.

Има доста цикли на веществата. Най-значимият цикъл на Земята по отношение на пренесените маси и потреблението на енергия е планетарният хидрологичен цикъл или водният цикъл. Биотичният (биологичен) цикъл се отнася до циркулацията на веществата между почвата, растенията, животните и микроорганизмите. От всички биогеохимични цикли въглеродният цикъл без съмнение е най-интензивен. По-голямата част от кислорода, произведен през геоложките епохи, не остава в атмосферата, а се фиксира от литосферата под формата на карбонати, сулфати, железни оксиди и др. Тази маса е 590x1014 тона срещу 39x1014 тона кислород, който циркулира в биосферата под формата на газ или сулфати, разтворени в континентални и океански води. Азотът е основен биогенен елемент, тъй като е част от протеините и нуклеиновите киселини. Цикълът на азота е един от най-сложните, тъй като включва както газови, така и минерални фази, и в същото време най-идеалните цикли. Цикълът на фосфора в биосферата е свързан с метаболитните процеси в растенията и животните. Този важен и необходим елемент на протоплазмата, съдържащ се в сухоземните растения и водорасли 0,01-0,1%, животните от 0,1% до няколко процента, циркулира, като постепенно се превръща от органични съединения във фосфати, които отново могат да се използват от растенията. Има множество газообразни серни съединения, като сероводород H2S и серен диоксид SO2.

Поддържането на жизнената активност на организмите и циркулацията на материята в екосистемите, т.е. съществуването на екосистемите, зависи от постоянния поток от енергия, необходим на всички организми за тяхната жизнена дейност и самовъзпроизвеждане.

За разлика от веществата, които непрекъснато циркулират през различни блокове на екосистемата, които винаги могат да бъдат използвани повторно и да влязат в цикъла, енергията може да се използва веднъж, т.е. има линеен поток от енергия през екосистемата.

В рамките на една екосистема веществата, съдържащи енергия, се създават от автотрофни организми и служат за храна на хетеротрофите. Хранителните връзки са механизми за пренос на енергия от един организъм към друг. Във всяка екосистема хранителните мрежи имат добре дефинирана структура, която се характеризира с естеството и броя на организмите, представени на всяко ниво на различните хранителни вериги.

Образуването на екосистемите е динамичен процес. В екосистемите непрекъснато настъпват промени в състоянието и жизнената активност на техните членове и в съотношението на популациите. Разнообразните промени, настъпващи във всяка общност, се делят на два основни типа: циклични и прогресивни.

Сукцесията е естествен, насочен процес и промените, настъпващи на един или друг етап, са характерни за всяко съобщество и не зависят от неговия видов състав или географско положение. Глобалната екосистема е биосферата. Както беше отбелязано по-рано, биосферата е разделена на геобиосфера, хидробиосфера и аеробиосфера. Биосферата се формира в по-голяма степен не от външни фактори, а от вътрешни модели. Най-важното свойство на биосферата е взаимодействието на живи и неживи същества, което е отразено в закона за биогенната миграция на атомите от V.I. Вернадски.

Съществуващите на Земята екосистеми са разнообразни. Има микроекосистеми (например стволът на гниещо дърво), мезоекосистеми (гора, езерце и др.), макроекосистеми (континент, океан и др.) и глобалната биосфера. Големите сухоземни екосистеми се наричат ​​биоми. Всеки биом съдържа редица по-малки, взаимосвързани екосистеми. Има няколко класификации на екосистемите: вечнозелена тропическа дъждовна гора; пустиня: тревиста и храстова; тропическа трева и савана; умерена степ; умерени широколистни гори: бореални иглолистни гори. Тундра: арктическа и алпийска. Видове сладководни екосистеми: лента (неподвижна вода): езера, езера и др.; лотик (течащи води): реки, потоци и др.; влажни зони: блата и заблатени гори;

Видове морски екосистеми: открит океан (пелагичен); води на континенталния шелф (крайбрежни води); зони на повдигане (плодородни райони с продуктивен риболов); естуари (крайбрежни заливи, проливи, речни устия, солени блата и др.).

Всяка екосистема има два основни компонента: организми и фактори от тяхната нежива среда. Съвкупността от организми (растения, животни, микроби) се нарича биота на една екосистема. Начините на взаимодействие между различните категории организми са неговата биотична структура.

Слънчевата енергия на Земята причинява два цикъла на веществата: голям или геоложки, най-ясно проявяващ се във водния цикъл и атмосферната циркулация, и малък, биологичен (биотичен), развиващ се на основата на голям и състоящ се от непрекъснат, циклични, но неравномерни във времето и пространството и придружени от повече или по-малко значителни загуби в естественото преразпределение на материята, енергията и информацията в екологичните системи на различни нива на организация.

И двата цикъла са взаимно свързани и представляват като че ли един процес. Взаимодействието на абиотичните фактори и живите организми на екосистемата е придружено от непрекъсната циркулация на материята между биотопа и биоценозата под формата на редуващи се органични и минерални съединения. Обменът на химични елементи между живите организми и неорганичната среда, чиито различни етапи протичат в екосистемата, се нарича биогеохимичен цикъл или биогеохимичен цикъл.

Наличието на такива цикли създава възможност за саморегулиране (хомеостаза) на системата, което дава стабилност на екосистемата: удивително постоянство на процентното съдържание на различни елементи. Тук важи принципът на функциониране на екосистемите: придобиването на ресурси и изхвърлянето на отпадъци се извършват в рамките на цикъла на всички елементи.

Списък на използваната литература

1.Бигон М.И. Екология, индивиди, популации и общности. М.: 1989. - 290 с.

2.Бейсенова А.С., Шилдебаев Ж.Б., Саутбаева Г.З. Екология. Алмати: "Гылым", 2001. - 201 с.

3.Акимова Т.А., Хаскин В.В. Екология. М .: Издателство UNITY, 1998. - 233 с.

.Горелов А.А. Екология. Лекционен курс. М .: "Център" 1997. - 280 с.

.Стадницки Г.В., Родионов А.И. Екология. М .: Издателство UNITY, 1996. - 272 с.

.Саданов А.К., Сванбаева З.С., Екология. Алмати: "Агроуниверситет", 1999. - 197 с.

.Шилов И.А. Екология. М .: Висше училище, 2000. - 348 с.

.Reimers N.F. Екология (Теория, закони, правила, принципи и хипотези). М.: "Млада Русия", 1994. - 260 с.

.Цветкова Л.И., Алексеев М.И., Усенов Б.П. и други. Учебник за техническите университети. М.; АСВ, Санкт Петербург: Химиздат, 1999, 185 с.

.Гирусов Е.В. Екология и икономика на управлението на околната среда. М.: Право и право, ЕДИНСТВО. 1998 г. - 232 с.

.Вронски V.A. Приложна екология: учеб. полза. Ростов на Дон: 1995. - 197 с.

.Будико М.И. Глобална екология. М.: Мисъл, 1977.-248 с.

.Алексеенко В.А. Геохимия на околната среда. Учебник. М.: Логос, 2000 г. - 410 с.

.Петров К.М. Обща екология на С-П. Урок. "Химия", 1997. - 218 с.

.Андерсен Дж.М. Екология и наука за околната среда. Биосфера, екосистема, човек. Л., 1985. 376 с.

.Гиренок Ф.И. Екология. Цивилизация. Noosphere.M .: 191987. - 281 с.

.В търсене на баланс: екологията в системата на социално-политическите приоритети М.: 1992. - 427 с.

.История на взаимодействието между общество и природа: Фактори и концепция. М.: АНСССР 1990 г.

.Степановских А.С. Приложна екология: Опазване на околната среда. Учебник за ВУЗ. М.: ЕДИНСТВО ДАНА. 2003. 751 стр.

Подобни работи на - Кръговрат на вещества и енергийни потоци в екосистемите

Поддържането на жизнената активност на организмите и циркулацията на материята в екосистемите, т.е. съществуването на екосистемите, зависи от постоянния поток от енергия, необходим на всички организми за тяхната жизнена дейност и самовъзпроизвеждане.

За разлика от веществата, които непрекъснато циркулират през различни блокове на екосистемата, които винаги могат да бъдат използвани повторно и да влязат в цикъла, енергията може да се използва само веднъж, т.е. през екосистемата има линеен поток от енергия.

Еднопосочният приток на енергия като универсално природно явление възниква в резултат на законите на термодинамиката. Първи законзаявява, че енергията може да се преобразува от една форма (като светлина) в друга (като потенциалната енергия на храната), но не може да бъде създадена или унищожена. Втори законзаявява, че не може да има нито един процес, свързан с трансформацията на енергия без загуба на част от нея. Определено количество енергия при такива трансформации се разсейва в недостъпна топлинна енергия и следователно се губи. Следователно не може да има трансформации например на хранителни вещества в веществото, изграждащо тялото на организма, които да стават със 100% ефективност.

По този начин живите организми са преобразуватели на енергия. И всеки път, когато енергията се преобразува, част от нея се губи под формата на топлина. В крайна сметка цялата енергия, влизаща в биотичния цикъл на една екосистема, се разсейва като топлина. Живите организми всъщност не използват топлината като източник на енергия, за да извършват работа - те използват светлина и химическа енергия.

Екологични пирамиди.Във всяка екосистема хранителните мрежи имат добре дефинирана структура, която се характеризира с естеството и броя на организмите, представени на всяко ниво на различните хранителни вериги. За да изучават връзките между организмите в една екосистема и да ги изобразяват графично, те обикновено използват екологични пирамиди, а не диаграми на хранителна мрежа. Екологичните пирамиди изразяват трофичната структура на една екосистема в геометрична форма. Те са изградени под формата на правоъгълници с еднаква ширина, но дължината на правоъгълниците трябва да бъде пропорционална на стойността на измервания обект. От тук можете да получите пирамиди от числа, биомаса и енергия.

Екологичните пирамиди отразяват основните характеристики на всяка биоценоза, когато показват нейната трофична структура:

Тяхната височина е пропорционална на дължината на въпросната хранителна верига, т.е. на броя на трофичните нива, които съдържа;

Тяхната форма повече или по-малко отразява ефективността на енергийните трансформации по време на прехода от едно ниво на друго.

Пирамиди от числа.Те представляват най-простото приближение към изследването на трофичната структура на една екосистема. В този случай първо се преброява броят на организмите на дадена територия, групира се по трофични нива и се представя под формата на правоъгълник, чиято дължина (или площ) е пропорционална на броя на организмите, живеещи в дадена територия ( или в даден обем, ако е водна екосистема). Установено е основно правило, че във всяка среда има повече растения, отколкото животни, повече тревопасни, отколкото месоядни, повече насекоми, отколкото птици и т.н.

Популационните пирамиди отразяват плътността на организмите на всяко трофично ниво. Има голямо разнообразие в изграждането на различни пирамиди на населението. Често те са с главата надолу.

Например в една гора има значително по-малко дървета (първични производители), отколкото насекоми (тревопасни).

Пирамида от биомаса.Отразява по-пълно хранителните взаимоотношения в екосистемата, тъй като отчита общата маса на организмите (биомаса)всяко трофично ниво. Правоъгълниците в пирамидите на биомасата представляват масата на организмите на всяко трофично ниво на единица площ или обем. Формата на пирамидата на биомасата често е подобна на формата на пирамидата на населението. Характерно е намаляването на биомасата на всяко следващо трофично ниво.

Пирамидите от биомаса, както и числата, могат да бъдат не само прави, но и обърнати. Обърнатите пирамиди от биомаса са характерни за водните екосистеми, в които първичните производители, като фитопланктонните водорасли, се делят много бързо, а техните консуматори - зоопланктонните ракообразни - са много по-големи, но имат дълъг цикъл на размножаване. По-специално, това се отнася за сладководни среди, където първичната производителност се осигурява от микроскопични организми, чиито метаболитни скорости са повишени, т.е. биомасата е ниска, производителността е висока.

Пирамида на енергията.Най-фундаменталният начин за показване на връзките между организмите на различни трофични нива е чрез енергийни пирамиди. Те представляват ефективността на енергийното преобразуване и производителността на хранителните вериги и са изградени чрез отчитане на количеството енергия (kcal), натрупано на единица повърхност за единица време и използвано от организмите на всяко трофично ниво. По този начин е сравнително лесно да се определи количеството енергия, съхранявана в биомасата, но е по-трудно да се оцени общото количество енергия, погълната на всяко трофично ниво. След като изградихме графика (фиг. 12.28), можем да заявим, че деструкторите, чиято важност изглежда малка в пирамидата на биомасата и обратно в пирамидата на населението; получават значителна част от енергията, преминаваща през екосистемата. Освен това само част от цялата тази енергия остава в организмите на всяко трофично ниво на екосистемата и се съхранява в биомаса; останалата част се използва за задоволяване на метаболитните нужди на живите същества: поддържане на съществуването, растежа, възпроизводството. Животните също изразходват значително количество енергия за мускулна работа.

Р. Линдеман през 1942 г. за първи път формулира закон на енергийната пирамида,което в учебниците често се нарича „законът на 10%“. Според този закон от един трофично ниво на екологичната пирамидаСредно не повече от 10% от енергията преминава на друго ниво.

Потребителите служат като управляваща и стабилизираща връзка в екосистемата. Потребителите генерират спектър от разнообразие в ценозата, предотвратявайки монопола на доминантите. Правило за контрол на стойността на потребителитеможе с право да се счита за доста фундаментално. Според кибернетичните възгледи системата за управление трябва да бъде по-сложна по структура от управляваната, тогава става ясна причината за множеството типове потребители. Контролното значение на консуматорите има и енергийна основа. Потокът на енергия през едно или друго трофично ниво не може да се определи абсолютно от наличието на храна в подлежащото трофично ниво. Както е известно, винаги остава достатъчен „резерв“, тъй като пълното унищожаване на храната би довело до смъртта на потребителите. Тези общи модели се наблюдават в рамките на популационните процеси, съобществата, нивата на екологичната пирамида и биоценозите като цяло.

За да се проследи връзката между живата и неживата природа, е необходимо да се разбере как протича кръговратът на веществата в биосферата.

Значение

Цикълът на веществата е многократно участие на едни и същи вещества в процеси, протичащи в литосферата, хидросферата и атмосферата.

Има два типа цикли на веществата:

• геоложки(голям цикъл);
• биологични(малък цикъл).

Движещата сила на геоложкия кръговрат на веществата са външни (слънчева радиация, гравитация) и вътрешни (енергия на земните недра, температура, налягане) геоложки процеси, биологични процеси - дейността на живите същества.

Големият цикъл протича без участието на живи организми. Под въздействието на външни и вътрешни фактори релефът се оформя и изглажда. В резултат на земетресения, изветряне, вулканични изригвания и движение на земната кора се образуват долини, планини, реки, хълмове и се образуват геоложки слоеве.

Ориз. 1. Геоложки цикъл.

Биологичната циркулация на веществата в биосферата се осъществява с участието на живи организми, които преобразуват и предават енергия по хранителната верига. Стабилна система за взаимодействие между живи (биотични) и неживи (абиотични) вещества се нарича биогеоценоза.

ТОП 3 статиикоито четат заедно с това

За да се осъществи циркулацията на веществата, Трябва да бъдат изпълнени няколко условия:

• наличието на приблизително 40 химични елемента;
• наличие на слънчева енергия;
• взаимодействие на живи организми.

Ориз. 2. Биологичен цикъл.

Цикълът на веществата няма конкретна начална точка. Процесът е непрекъснат и един етап неизменно преминава в друг. Можете да започнете да разглеждате цикъла от всяка точка, същността ще остане същата.

Общият цикъл на веществата включва следните процеси:

• фотосинтеза;
• метаболизъм;
• разграждане.

Растенията, които са производители в хранителната верига, преобразуват слънчевата енергия в органични вещества, които влизат в тялото на животните разлагащи се с храната. След смъртта, разлагането на растения и животни става с помощта на консуматори - бактерии, гъбички, червеи.

Ориз. 3. Хранителна верига.

Кръговрат на веществата

В зависимост от местоположението на веществата в природата те се разграничават два вида циркулация:

• газ- среща се в хидросферата и атмосферата (кислород, азот, въглерод);
• седиментен- среща се в земната кора (калций, желязо, фосфор).

Цикълът на материята и енергията в биосферата е описан в таблицата на примера на няколко елемента.

вещество	Цикъл	Значение
	Голям кръг. Изпарява се от повърхността на океана или сушата, остава в атмосферата, пада като валежи, връща се във водните тела и на повърхността на Земята.	Оформя природните и климатичните условия на планетата
	На сушата има малък кръговрат на веществата. Те се получават от производителите и се предават на разлагащите и потребителите. Връща се като въглероден диоксид. В океана има голям цикъл. Задържа се като утайка	Той е в основата на всички органични вещества
	Азотфиксиращите бактерии, открити в корените на растенията, фиксират свободния азот от атмосферата и го фиксират в растенията под формата на растителен протеин, който се предава по-нататък по хранителната верига.	Съдържа протеини и азотни основи
Кислород	Малък цикъл - навлиза в атмосферата по време на фотосинтезата и се консумира от аеробни организми. Great Gyre - образува се от вода и озон под въздействието на ултравиолетова радиация	Участва в окислителни и дихателни процеси
	Намира се в атмосферата и почвата. Абсорбира се от бактерии и растения. Някои се установяват на морското дъно	Необходим за изграждане на аминокиселини
	Големи и малки циркуляри. Съдържа се в скалите, консумира се от растенията от почвата и се предава по хранителната верига. След като организмите се разградят, той се връща в почвата. В резервоара се абсорбира от фитопланктона и се предава на рибите. След като рибата умре, някои остават в скелета и се утаяват на дъното	Съдържа протеини и нуклеинови киселини

Спирането на кръговрата на веществата в природата означава нарушаване на хода на живота. За да продължи животът, енергията трябва да преминава през цикъл след цикъл.

Какво научихме?

От урока научихме за същността на големия и малкия кръговрат на веществата в биосферата, взаимодействието на неживата природа с живите организми, а също така разгледахме кръговрата на водата, въглерода, азота, кислорода, сярата и фосфора.

Тест по темата

Оценка на доклада

Среден рейтинг: 4.5. Общо получени оценки: 129.