трусики женские украина

На головну

Потоки енергії і речовини в екосистемах - Біологія

Потоки енергії і речовини в екосистемах

Будь-яке життя вимагає постійної притоки енергії і речовини. Енергія витрачається на здійснення основних життєвих реакцій, речовина йде на побудову тіл організмів. Існування природних екосистем супроводиться складними процесами речовинного-енергетичного обміну між живою і неживою природою. Ці процеси дуже важливі і залежать не тільки від складу биотических співтовариств, але і від фізичного середовища їх мешкання.

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

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

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

Суворе вимірювання циркулюючої в екосистемі речовини можна отримати, враховуючи кругообіг окремих хімічних елементів, передусім тих, які є основним будівельним матеріалом для цитоплазмы рослинних і тваринних кліток.

На відміну від речовин, які безперервно циркулюють по різних блоках екосистеми і завжди можуть знову входити в кругообіг, енергія може бути використана в організмі тільки один раз.

Згідно із законами фізики енергія може перейти з однієї форми (наприклад, енергії світла) в іншу (наприклад, потенційну енергію їжі), але вона ніколи не створюється знову і не зникає. Не може бути жодного процесу, пов'язаного з перетворенням енергії, без втрати деякої її частини. У своїх перетвореннях певна кількість енергії розсіюється у вигляді тепла і, отже, втрачається. З цієї причини не може бути перетворень, наприклад харчових речовин в речовини, з яких складається тіло організму, що йдуть зі стопроцентной ефективністю.

Існування всіх екосистем залежить від постійної притоки енергії, яка необхідна всім організмам для підтримки їх життєдіяльності і самовоспроизведения.

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

По мірі видалення від первинного продуцента швидкість потоку енергії (тобто кількість енергії, виражена в енергетичних одиницях, що перейшла з одного трофічного рівня на інший) різко слабшає.

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

Співвідношення живої речовини на різних трофічних рівнях підкоряється загалом тому ж правилу, що і співвідношення поступаючої енергії: чим вище рівень, тим нижче загальна біомаса і чисельність становлячих його організмів.

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

Піраміди чисельності можуть бути оберненими. Це відбувається, коли швидкість відтворювання популяції жертви висока, і навіть при низькій біомасі така популяція може бути достатнім джерелом їжі для хижаків, що мають більш високу біомасу, але низьку швидкість відтворювання. Наприклад, на одному дереві може жити і годуватися безліч комах (обернена піраміда чисельності). Обернена піраміда біомаси властива водним екосистемам, де первинні продуценты (фитопланктонные водорості) дуже швидко діляться і множаться в числі, а їх споживачі (зоопланктонные ракоподібні) набагато крупніше, але мають тривалий цикл відтворювання.

Пасовищні і детритные ланцюги

Енергія може пройти через співтовариство різними шляхами. Вона являє собою харчовий ланцюг всіх консументов (консументную систему) з додаванням ще двох ланок: ця мертва органічна речовина і харчовий ланцюг организмов-разлагателей (редуцентная система).

Потік енергії, що йде від рослин через растительноядных тварин (їх називають що пасуться), називається пасовищним харчовим ланцюгом.

Не використані консументами залишки споживаних ними організмів поповнюють собою мертву органічну речовину. Воно складається з фекалий, вмісних частину незасвоєної їжі, а також трупів тваринних, залишків рослинності (листя, гілок, водоростей) і називається детритом.

Потік енергії, що бере початок від мертвої органічної речовини і що проходить через систему разлагателеи, називається детритнои харчовим ланцюгом.

Поряд зі схожістю є глибока відмінність в функціонуванні пасовищною і детритнои харчових ланцюгів. Воно складається в тому, що в кон-сументной системі фекалии і мертві організми втрачаються, а в редуцентной - немає.

Рано або пізно енергія, укладена в мертвій органічній речовині, буде повністю використана разлагателями і розсіяна у вигляді тепла при диханні, навіть якщо для цього їй буде потрібні декілька разів пройти через систему редуцентов. Виключенням є лише ті випадки, коли місцеві абиотические умови дуже несприятливі для процесу розкладання (висока вогкість, мерзлота). У цих випадках нагромаджуються поклади не повністю переробленої высокоэнергоемкого речовини, що перетворюється згодом і при відповідних умовах в горючі органічні копалини - нафта, вугілля, торф.

Кругообіг речовин в екосистемі

Цілісність природних екосистем особливо виразно виявляється при розгляді циркулюючих в них потоків речовини. Речовина може передаватися по замкнених циклах (кругообігу), багато разів циркулюючи між організмами і навколишнім середовищем.

Кругове пересування (по землі, повітрю, воді) хімічних елементів (тобто речовин) називається биогеохимическими циклами або кругообігом.

Необхідні для життя елементи і розчинені солі умовно називають біогенний елементами (що дають життя) або живлячими речовинами. Серед біогенний елементів розрізнюють дві групи: макротрофные речовини і микротрофные речовини.

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

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

Циркуляція біогенний елементів супроводиться звичайно їх хімічними перетвореннями. Нітратний азот, наприклад, може перетворюватися в білковий, потім перейти в мочевину, перетворюватися в аміак і знову синтезуватися в нітратну форму під впливом мікроорганізмів. У процесах денитрификации і фіксації азоту беруть участь різні механізми, як біологічні, так і хімічні.

Запаси біогенний елементів непостійні. Процес скріплення деякої їх частини у вигляді живої біомаси знижує кількість, що залишається в абиотической середовищі. І якби рослини і інші організми зрештою не розкладалися, запас биогенов вичерпався б і життя на Землі припинилася. Звідси можна зробити висновок, що активність гетеротрофов, насамперед організмів, функціонуючих в детритных ланцюгах, - вирішальний чинник збереження кругообігу біогенний елементів і утворення продукції.

Розглянемо деякі числові дані, що свідчать про масштаби перенесення речовин, звернувшись до биогеохимическому кругообігу вуглеводу. Природним джерелом вуглеводу, що використовується рослинами для синтезу органічної речовини, служить вуглекислий газ, вхідний до складу атмосфери або що знаходиться в розчиненому стані у воді. У процесі фотосинтезу вуглекислий газ (диоксид вуглеводу) перетворюється в органічну речовину, службовців їжею твариною. Дихання, бродіння і згоряння палива повертають вуглекислий газ в атмосферу.

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

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

Деякі організми можуть грати важливу роль в кругообігу фосфору. Молюски, наприклад, фільтруючи воду і витягуючи звідти дрібні організми і детрит, здатні захоплювати і втримувати велику кількість фосфору.

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

Продуктивність співтовариства

Важливим функціональним показником співтовариств є їх здібність до створення, або продуцированию, нової біомаси. Ця властивість лежить в основі поняття продуктивність, схожого по значенню з поняттям «родючість», яка використовується по відношенню до сільськогосподарських або інакших екосистем, чиє функціонування підлегле потребам людини (як, наприклад, зерноводство, звірівництво, рибництво, лесоразведение).

Приріст біомаси співтовариства виражається сумарним приростом біомаси окремих його елементів (автотрофных і гетеротрофных компонентів, окремих трофічних рівнів, популяцій яких-небудь видів). Швидкість продуцирования біомаси визначають в екології спеціальним показником - продукцією.

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

Власне продуцирование біологічної речовини відбувається за рахунок зростання організмів і народження нових особнів. І той і інший процес вимагає певних витрат енергії і речовини.

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

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

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

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

Повторною продукцією називають швидкість продуцирования біомаси гетеротрофами.

Основна роль в утворенні живої речовини Землі належить автотрофным рослинам суші. Їх географічний розподіл надто нерівномірний: воно залежить від кількості тепла і вологи. Так, головні запаси фитомассы доводяться на тропічні області (більше за 55%), де вони досягають 650 т з 1 га. У полярних і пустинних областях запаси фитомассы становлять всього 12%, звичайно не перевищуючи 12 т з 1 га.

Біомаса гетеротрофных організмів суші, передусім тваринних (зоомасса), у багато разів менше біомаси рослин (фитомасса). У різних биогеоценозах зоомасса складає від 0,05% до 5% всієї біомаси. При цьому найбільш висока біомаса грунтових мікроорганізмів і беспозвоночных, а частка наземних хребетних в загальної зоомассе - усього від 0,2% до 4% (тобто в сотні разів менше).

Складаючи незначну частку біомаси, тваринні суші проте грають велику роль в регулюванні процесів, що відбуваються в окремих биогеоценозах і біосфері загалом. Наприклад, зграї сарани або стада антилоп знищують рослинність на великих площах. Земляні черв'яки грають величезну роль в почвообразовании, значно підвищуючи родючість грунту.

Біомаса Світового океану в декілька сотень разів менше біомаси суші.

Фитомасса океану обмежується кількістю живлячих, або біогенний, речовин. Максимум фитомассы досягається в помірному поясі, де відбувається інтенсивне перемішування вод з винесенням живлячих речовин на поверхню. Зони океану поблизу берегів особливо насичені життям, що пояснюється притокою живлячих речовин з континентів.

Загальна річна продукція наземної рослинності оцінюється приблизно в 180 - 200 млрд т, основна частка її доводиться на тропічну зону. Річна продукція фитомассы океану складає біля 50-100 млрд. т. Таким чином, хоч океан займає більше за 2/3 поверхні земної кулі, він дає тільки 1/3 всіх продукції біосфери.

Екологічна сукцессия

Якщо припинити обробляти колись відвоюванню у лісу орне поле, то ліс, що раніше займав цю територію, знову повернеться сюди. Однак раніше на цьому місці виникне ряд співтовариств, які, сменяя один одного, підготують дорогу лісу. Ці сменяющие один одного співтовариства можна уподібнити стадіям розвитку, через які проходять організми, перш ніж досягнуть зрілості.

Процеси таких послідовних змін називаються екологічної сукцессией (від лати. сукцессио - послідовність, зміна) і є закономірними. Сукцессия керується самим співтовариством і не залежить від місцеположення або видової приналежності становлячих його організмів.

Для того щоб зрозуміти природу екологічної сукцессии, уявимо собі співтовариство, в якому валова, тобто сумарна, продукція автотрофов в енергетичному вираженні точно відповідає энергозатратам (диханню) співтовариства, що йде на забезпечення життєдіяльності становлячих його організмів. Біомаса організмів в такій системі залишається постійною, а сама система незмінної, або рівноважної (процеси продуцирования урівноважуються диханням).

Можна уявити собі різні типи рівноваги в природі.

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

Другий тип рівноваги характерний для деяких екосистем текучої води. Їх органічна речовина виникає не тільки внаслідок функціонування автотрофов, але і притоки ззовні. Рівновага тут означає, що «загальне дихання» одинаково валової продукції самого співтовариства, доповненої надходженням органічної речовини ззовні.

Третій тип рівноваги, характерний для сільськогосподарських екосистем, навпаки, відрізняється постійним вилученням частини продукції. Тому в таких екосистемах рівновага досягається, лише коли «загальне дихання» дорівнює тій величині продукції, яка залишається в системі після винесення її частини.

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

І те і інше буде приводити до змін співтовариства. При надлишку ресурсу завжди знайдуться види, які його зможуть освоїти. При нестачі ресурсу частина видів вимерти. Такі зміни і складають суть екологічної сукцессии. Головна особливість процесу сукцессии складається в тому, що зміни співтовариства завжди відбуваються в напрямі до рівноважного стану.

Розвиток лісу на залишеному полі є прикладом сукцессии, що відбувається в ясно вираженому автотрофном стані, бо в перший момент тут з'являються автотрофные організми.

Прикладом сукцессии іншого роду є ріка, забруднена великою кількістю органічних покидьків (представимо, що на березі такої ріки побудована і діє свиноферма). Надлишкова органічна речовина в цьому випадку починає активно використовуватися гетеротрофами. При цьому воно споживається швидше, ніж створюється, тобто відбувається постійне убування органічної речовини.

Кожна стадія сукцессии являє собою певне співтовариство з переважанням тих або інакших видів і життєвих форм. Окремі стадії розвитку сукцессии називають сериальными стадіями. Вони зміняють один одну, поки не наступить стан остаточної рівноваги.

Сукцессия, яка починається на пустому, млявому місці, називається первинної сукцессией. Наприклад, заселення рослинами піщаної дюни, інший приклад первинної сукцессии - це поселення накипных і листоватых лишайників на каменях. Під дією виділень лишайників каменистий субстрат поступово руйнується і перетворюється в подібність грунту, де поселяються кущисті лишайники, а потім вже зелені мохи, трави і інші вищі рослини. Повторна сукцессия відноситься до співтовариств, які розвиваються на місці, раніше сформованого співтовариства, що вже існувало.

Прикладами повторної сукцессии є зміни співтовариства після раскорчевки і запашки площ, зайнятих раніше лісом (якщо, звісно, розорана дільниця залишена і згодом не обробляється), або після порубки лісу, пристрою ставка.

Зміни при повторної сукцессии відбуваються набагато швидше, ніж при первинній. Це пояснюється тим, що первинне співтовариство залишає після себе достатню кількість живлячих речовин, розвинений грунт, що значно прискорює зростання і розвиток нових поселенців.

Значення сукцессии

В ході сукцессии постійно міняються вигляд співтовариства і функціонування екосистеми. Сукцессия - це закономірний і направлений процес, тому загальні зміни, що відбуваються на тій або інакшій її стадії, властиві будь-якому співтовариству і не залежать від його видового складу або географічного місцеположення. Як основні можна назвати наступні чотири типи сукцессионных змін.

Перший тип. Види рослин і тварин в процесі сукцессии безперервно зміняються.

Другий тип. Зміна видового складу часто визначається конкуренцією, оскільки зміни екосистеми, що відбуваються в ході сукцессии створюють сприятливі умови для колонізації співтовариства новими видами. З цієї причини сукцессионные зміни завжди супроводяться підвищенням видової різноманітності організмів.

Третій тип. Збільшення біомаси органічної речовини.

Четвертий тип. Зміни складаються в зниженні чистої продукції співтовариства і підвищенні активності його дихання. Це найбільш важливе явище сукцессии. На ранніх стадіях первинної сукцессии загальна первинна продукція висока, але на подальших стадіях продуктивність автотрофов падає.

Тривалість сукцессии багато в чому визначається структурою співтовариства. Вивчення первинної сукцессии на таких місцях, як піщані дюни, свідчить про те, що в цих умовах для розвитку найвищої стадії потрібно багато які сотні років. Повторні сукцессии, наприклад на вирубках, протікають набагато швидше. Все ж потрібно не менше за 200 років, щоб в умовах помірно вологого клімату зміг відновитися лісовий масив.

Якщо клімат особливо суров (наприклад, в пустелі або тундрі), тривалість стадій більш коротка, оскільки співтовариство не може істотно змінити несприятливе фізичне оточення. Повторна сукцессия в степу, наприклад, продовжується біля 50 років.

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

Зрілі стадії сукцессии є більш стійкими в порівнянні з ранніми. Посуха може сильно впливати на ранню стадію сукцессии, наприклад на посіви ржи або пшениці. На ліс найвищої стадії його розвитку вона надає набагато менше впливу, якщо, звісно, посуха не повторюється рік від року.

Зріле співтовариство з його великою різноманітністю, насиченістю організмами, більш розвиненої трофічною структурою, з урівноваженими потоками енергії здібно протистояти змінам фізичних чинників (таких, як температура, вогкість) і навіть деяким видам хімічних забруднень в набагато більшій мірі, ніж молоде співтовариство. Однак молоде співтовариство здібно продуцировать нову біомасу в набагато більших кількостях, ніж старе.

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

З іншого боку, з точки зору людини, стійкість найбільш розвиненого співтовариства, його здатність протистояти впливу фізичних чинників (і навіть управляти ними) є дуже важливими і корисними властивостями. Наприклад, орні землі - молоді сукцессионные стадії. Вони підтримуються в такому стані завдяки безперервному труду землеробів. А ось ліси - більш старі і різноманітні, більш стабільні співтовариства з низькою величиною чистої продукції.

Люди всі ще слабо усвідомлюють наслідки екологічних порушень, виникаючих в погоні за економічною вигодою. Навіть тих знань, які накопичені екологією в цей час, досить для упевненості в тому, що перетворення нашої біосфери в один обширний килим орних земель таїть в собі величезну небезпеку. Для нашого власного захисту певний ландшафт повинен бути представлений природними співтовариствами.

Авіація і космонавтика
Автоматизація та управління
Архітектура
Астрологія
Астрономія
Банківська справа
Безпека життєдіяльності
Біографії
Біологія
Біологія і хімія
Біржова справа
Ботаніка та сільське господарство
Валютні відносини
Ветеринарія
Військова кафедра
Географія
Геодезія
Геологія
Діловодство
Гроші та кредит
Природознавство
Журналістика
Зарубіжна література
Зоологія
Видавнича справа та поліграфія
Інвестиції
Інформатика
Історія
Історія техніки
Комунікації і зв'язок
Косметологія
Короткий зміст творів
Криміналістика
Кримінологія
Криптологія
Кулінарія
Культура і мистецтво
Культурологія
Логіка
Логістика
Маркетинг
Математика
Медицина, здоров'я
Медичні науки
Менеджмент
Металургія
Музика
Наука і техніка
Нарисна геометрія
Фільми онлайн
Педагогіка
Підприємництво
Промисловість, виробництво
Психологія
Психологія, педагогіка
Радіоелектроніка
Реклама
Релігія і міфологія
Риторика
Різне
Сексологія
Соціологія
Статистика
Страхування
Будівельні науки
Будівництво
Схемотехніка
Теорія організації
Теплотехніка
Технологія
Товарознавство
Транспорт
Туризм
Управління
Керуючі науки
Фізика
Фізкультура і спорт
Філософія
Фінансові науки
Фінанси
Фотографія
Хімія
Цифрові пристрої
Екологія
Економіка
Економіко-математичне моделювання
Економічна географія
Економічна теорія
Етика

8ref.com

© 8ref.com - українські реферати


енциклопедія  бефстроганов  рагу  оселедець  солянка