Реферат: Биология с основами экологии

Содержание

Введение

Потоки вещества и энергии в экосистемах

Деструкционные блоки в экосистемах

Проблемы биологической продуктивности

Пирамиды чисел, биомасс, энергии

Список литературы

Введение

«Любаяединица (биосистема), включающая все совместно функционирующие организмы (биотическоесообщество) на данном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом,что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговоротвеществ между живой и неживой частями, представляет собой экологическую систему,или экосистему» (Ю.Одум, 1986)

Главнымпредметом исследования при экосистемном подходе в экологии, становятся процессытрансформации вещества и энергии между биотой и физической средой, т.е. возникающийбиохимический круговорот веществ в экосистеме в целом. Это позволяет дать обобщеннуюинтегрированную оценку результатов жизнедеятельности сразу многих отдельных организмовмногих видов, так как по биогеохимическим функциям, т.е. по характеру осуществляемыхв природе процессов превращения вещества и энергии, организмы более однообразны,чем по своим морфологическим признакам и строению.

В настоящеевремя концепция экосистемы – это одно из наиболее главных обобщений биологии – играетвесьма важную роль в экологии. Во многом этому способствовали два обстоятельства:во-первых, экология как наука созрела для такого рода обобщений и они стали жизненнонеобходимы, а во-вторых, сейчас как никогда остро встали вопросы охраны биосферыи теоретического обоснования природоохранных мероприятий, которые опираются, преждевсего, на концепцию биотических сообществ – экосистем.

Крометого, распространению идеи экосистемы способствовала гибкость самого понятия, таккак к экосистемам можно относить биотические сообщества любого масштаба с их средойобитания – от пруда до Мирового океана, от пня до обширного лесного массива, например,тайги.

Природныеэкосистемы – это открытые системы: они должны получать и отдавать вещества и энергию.

Запасывеществ, усвояемые организмами и, прежде всего, продуцентами, в природе не безграничны.Если бы эти вещества не использовались многократно, не были бы вовлечены в этотвечный круговорот, то жизнь на земле была бы вообще невозможна. Такой «бесконечный» круговорот биогенных компонентов возможен лишь при наличии функционально различныхгрупп организмов, способных осуществлять и поддерживать поток веществ, извлекаемыхими из окружающей среды.

1 Движение вещества и энергии в экосистеме

Деятельностьживых существ в биосфере сопровождается потреблением из среды их обитания большихколичеств разнообразных органических и неорганических веществ. После отмирания организмови последующей минерализации их органических остатков, высвободившиеся неорганическиевещества вновь возвращаются во внешнюю среду. Так осуществляется биогенный (с участиемживых организмов) круговорот веществ в природе, т.е. движение веществ между литосферой,атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Таким образом, под круговоротомвеществ понимают повторяющийся процесс превращения и перемещения веществв природе, имеющий более или менее выраженный циклический характер.

Круговоротвеществ осуществляется при непрерывном потоке солнечной энергии.

В зависимостиот движущей силы, с определенной долей условности, внутри круговорота веществ можновыделить геологический, биологический и антропогенный круговороты. До возникновениячеловека на земле осуществлялись только первые два. Геологический круговорот — круговорот веществ, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологическиепроцессы. Геологический круговорот осуществляется без участия живых организмов.Биологический круговорот — круговорот веществ, движущей силой которого являетсядеятельность живых организмов. Антропогенный круговорот (обмен) — круговорот(обмен) веществ, движущей силой которого является деятельность человека. В нем можновыделить две составляющие: биологическую, связанную с функционированием человека,как живого организма, и техническую, связанную с хозяйственной деятельностью людей(техногенный круговорот).

Круговоротвеществ — основа бесконечности жизни на нашей планете. В нем принимают участие всеживые организмы, осуществляя процессы питания, дыхания, выделения, размножения.Основой биогенного круговорота является солнечная энергия, которая поглощается фототрофнымиорганизмами и преобразовывается ими в первичное органическое вещество, доступноеконсументам. В ходе дальнейшей трансформации консументами разных порядков энергияпищи постепенно растрачивается, уменьшается. Поэтому устойчивость биосферы напрямуюсвязана с постоянным притоком солнечной энергии.

В круговоротевеществ принимают участие все живые организмы, поглощающие из внешней среды однивещества и выделяющие в нее другие. Так, растения потребляют из внешней среды углекислыйгаз, воду и минеральные соли и выделяют в нее кислород. Животные вдыхают выделенныйрастениями кислород; поедая растения, усваивают синтезированные из воды и углекислогогаза органические вещества и выделяют углекислый газ и непереваренные остатки пищи.При разложении бактериями и грибами отмерших растений и животных образуется дополнительноеколичество углекислого газа, а органические вещества превращаются в минеральные,которые попадают в почву или водоемы и снова усваиваются растениями. Таким образом,химические элементы постоянно совершают миграцию из одного организма в другой, изпочвы, атмосферы и гидросферы — в живые организмы, а из них — в среду их обитания.Эти процессы повторяются бесконечное число раз, весь атмосферный кислород проходитчерез живое вещество за 2 тыс. лет, весь углекислый газ — за 200-300 лет.

Непрерывнаяциркуляция химических элементов в биосфере по более или менее замкнутым путям называетсябиогеохимическим циклом. Необходимость такой циркуляции объясняется ограниченностьюих запасов на планете. Чтобы обеспечить бесконечность жизни, химические элементыдолжны совершать движение по кругу. Круговорот каждого химического элемента являетсячастью общего грандиозного круговорота веществ на Земле, т.е. все круговороты тесносвязаны между собой.

Круговоротвеществ, как и все происходящие в природе процессы, требует постоянного притокаэнергии. Основой биогенного круговорота, обеспечивающего существование жизни, являетсясолнечная энергия. Заключенная в органических веществах энергия, передаваемая поступеням пищевой цепи, уменьшается, потому что значительная ее часть поступает вокружающую среду в виде тепла или же расходуется на осуществление процессов жизнедеятельности(например, мышечная работа, движение крови у животных, передвижение растворов минеральныхи органических веществ, транспирация у растений). Поэтому через структурные единицыбиосферы — биогеоценозы — осуществляется непрерывный поток энергии и ее преобразование.Таким образом, биосфера может быть устойчивой только при условии постоянного круговоротавеществ и притока солнечной энергии.

Круговоротводы. Вода — самое распространенноевещество в биосфере. Основные ее запасы (около 95%) сосредоточены в виде солено-горькойводы морей и океанов. Остальные воды — пресные. Воды ледников и вечных снегов (т.е.вода в твердом состоянии) и подземные воды совместно составляют свыше 97% всех запасовпресной воды. Лишь незначительная часть пресных вод заключена в озерах, реках, болотахи атмосфере (в виде водяного пара).

Водаиспаряется с поверхности морей и океанов и переносится от них воздушными потокамина различные расстояния. Большая часть испарившейся воды возвращается в виде дождяв океан, а меньшая — на сушу. С суши вода в виде водяного пара теряется также вследствиепроцессов испарения с ее поверхности и транспирации растениями. Вода переноситсяв атмосферу и в виде осадков возвращается на сушу или в океан. Одновременно с континентовв моря и океаны поступает речной сток воды.

Каквидим, основу глобального круговорота воды в биосфере обеспечивают физические процессы,происходящие с участием Мирового океана. Роль живого вещества в нем, казалось бы,невелика. Однако на континентах масса воды, испаряемая растениями и поверхностьюпочвы, играет главную роль в круговороте воды. Масса воды, транспирируемая растительнымпокровом, весьма существенна. Так, 1 га леса испаряет примерно 20- 50 т воды в сутки.Роль растительного покрова заключается также в удержании воды путем замедления еестока, в поддержании постоянства уровня грунтовых вод и др. В результате такие зонысуши функционируют как бы на собственном замкнутом водном балансе.

Круговоротуглерода. Углерод — обязательныйхимический элемент органических веществ. Огромная роль в круговороте углерода принадлежитзеленым растениям. В процессе фотосинтеза углекислый газ атмосферы и гидросферыассимилируется наземными и водными растениями, а также цианобактериями и превращаетсяв углеводы. В процессе же дыхания всех живых организмов происходит обратный процесс:углерод органических соединений превращается в углекислый газ. В результате ежегоднов круговорот вовлекаются многие десятки миллиардов тонн углерода. Таким образом,два фундаментальных биологических процесса — фотосинтез и дыхание обусловливаютциркуляцию углерода в биосфере.

Ещеодним мощным потребителем углерода являются морские организмы. Они используют соединенияуглерода для построения раковин, скелетных образований. Из остатков отмерших морскихорганизмов на дне морей и океанов образованы мощные отложения известняков.

Циклобращения углерода не полностью замкнут. Углерод может выходить из круговорота надовольно длительный срок в виде залежей каменного угля, известняков, торфов, сапропелей,гумуса и др.

Отрегулированныйкруговорот углерода нарушает человек в ходе интенсивной хозяйственной деятельности.За счет сжигания огромного количества ископаемого топлива содержание углекислогогаза в атмосфере за прошлое столетие возросло на 25% .

Круговоротазота. Азот — необходимыйкомпонент важнейших органических соединений: белков, нуклеиновых кислот, АТФ и др.Основные его запасы сосредоточены в атмосфере в форме молекулярного азота, недоступногодля растений, так как они способны использовать азот только в виде соединений.

Путипоступления азота в почву и водную среду различны. Так, небольшое количество азотистыхсоединений образуется в атмосфере во время гроз (вместе с дождевыми водами они поступаютв водную или почвенную среду), а также выделяется при извержениях вулканов.

К прямойфиксации атмосферного молекулярного азота способны лишь некоторые прокариотическиеорганизмы: бактерии и цианобактерии. Значительную роль в обогащении азотистыми соединениямиводной среды играют цианобактерии. Они могут развиваться в воде в массовом количестве,вызывая ее «цветение».

Азотсодержащиеорганические вещества отмерших растений и животных, а также мочевина и мочевая кислота,выделяемые животными и грибами, расщепляются гнилостными (аммонифицирующими)бактериям до аммиака. Основная масса образующегося аммиака окисляется нитрифицирующимибактериями до нитритов и нитратов, после чего вновь используется растениями.Некоторая часть аммиака уходит в атмосферу и вместе с углекислыми и другими газамиучаствует в создании парникового эффекта.

Различныеформы азотистых соединений почвы и водной среды могут восстанавливаться некоторымивидами бактерий до оксидов и молекулярного азота. Этот процесс называется денитрификацией.Результатом его является обеднение почвы и воды соединениями азота и пополнениемолекулярным азотом атмосферы.

Процессынитрификации и денитрификации были сбалансированы вплоть до начала интенсивногоиспользования человеком азотных минеральных удобрений в целях получения большихурожаев сельскохозяйственных растений. В настоящее время из-за использования громадныхобъемов таких удобрений наблюдается накопление азотистых соединений в почве, растениях,грунтовых водах.

Такимобразом, роль живых организмов в круговороте азота является основной.

Круговоротфосфора. Большие запасыфосфора содержат горные породы. При разрушении эти породы отдают фосфор наземнымэкосистемам, однако часть фосфатов вовлекается в круговорот воды и уносится в море.Вместе с отмершими остатками фосфаты погружаются на дно. Одна часть из них используется,а другая теряется в глубинных отложениях. Таким образом, наблюдается несоответствиемежду потреблением фосфора и его возращением в круговорот.

Круговороткислорода. Главным образомкруговорот кислорода происходит между атмосферой и живыми организмами. Свободныйкислород поступает в атмосферу в результате фотосинтеза зеленых растений, а потребляетсяв процессе дыхания животными, растениями и микроорганизмами, и при минерализацииорганических остатков. Незначительное количество кислорода образуется из воды иозона под воздействием ультрафиолетовой радиации. Большое количество кислорода расходуетсяна окислительные процессы в земной коре, при извержении вулканов и т. д. основнаядоля кислорода продуцируется растениями суши — почти ¾, остальная часть — фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Скорость круговорота — около 2 тыс.лет На промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23% кислорода, которыйобразуется в процессе фотосинтеза, и эта цифра постоянно возрастает.

2Деструкционные блоки в экосистемах

Однаиз важнейших биогеохимических функций на Земле — деструкционная. Она заключаетсяв разложении создаваемой биологической продукции и возвращении биогенных элементовв окружающую среду. В осуществление этого процесса включено огромное разнообразиеживых организмов. Многие органические соединения (целлюлоза, лигнин и др.) обладаютвысокой прочностью и устойчивостью, они не разрушаются в природе в отсутствие редуцентов.На планете постоянно идет гигантская работа по минерализации созданного органическоговещества. Параллельно протекает процесс гумификации: часть промежуточных продуктовраспада в результате деятельности разных групп организмов вступает в новый синтез,образуя гумус — сложный комплекс веществ, богатых энергией. Гумус является основойпочвенного плодородия. Он разлагается определенными микроорганизмами очень медленнои постепенно, обеспечивая постоянство и надежность в снабжении растений биогеннымиэлементами.

Продуктыминерализации органических веществ, растворяясь в природных водах, многократно усиливаютих химическую активность в разрушении горных пород.

Стабильностьбиосферы основывается на биогеохимических круговоротах веществ. Глобальный биогеохимическийкруговорот вещества представляет собой систему сложно переплетенных циклов химическихэлементов. Круговороты планетарного масштаба создаются из бесчисленных циклическихперемещений атомов в процессе жизнедеятельности организмов в отдельных экосистемахи тех перемещений, которые вызываются причинами геологического и ландшафтного характера:поверхностный и подземный сток, ветровая эрозия, вулканизм, горообразование, движениеморского дна и т.п. Различают малые и большие, т.е. локальные и общепланетарные,круговороты.

Биологическиекруговороты характеризует неполная замкнутость. Часть химических элементов и ихсоединений выпадает из общей циркуляции и скапливается вне живых организмов. Такпостепенно накапливались кислород и азот атмосферы, горючие ископаемые, осадочныепороды. Незамкнутость циклов может быть ничтожной, но, помноженная на геологическоевремя, она приводит к глобальным эффектам, к изменениям состояния и структуры биосферы.Современная биосфера сильно отличается от биосферы прошедших времен, когда, например,господствовали только микроорганизмы или когда сложная жизнь была развита тольков океане.

Главнымдля биосферы является цикл органического углерода. Он определяется первичной продукциейорганизмов за счет фотосинтеза растений и цианобактерий (частично — за счет хемосинтезабактерий) и последующей деструкцией созданного органического вещества всеми, какаэробными, так и анаэробными, организмами. Конечный продукт деструкции — углекислыйгаз, связывающий цикл органического углерода с неорганическим и с циклом кислорода.

Основныезапасы углерода находятся в связанном состоянии (в основном в составе карбонатов)в осадочных породах Земли, значительная часть растворена в водах океана, и относительнонебольшая — присутствует в составе воздуха. Отношение количеств углерода в литосфере,гидросфере и атмосфере, по уточненным расчетам, составляет 28 570: 57: 1.

Такимобразом, в биологическом круговороте участвуют лишь доли процента от общего количествауглерода на Земле. Атмосфера и гидросфера представляют собой обменный фонд, откудауглерод черпают зеленые растения. Выделение углерода из недр Земли в составе вулканическихгазов примерно равно скорости погружения его вглубь литосферы в составе осадочныхпород, т.е. большой геологический цикл углерода уравновешен.

Из-занедостаточной скорости деструкционных процессов часть углерода надолго выводитсяиз биологических круговоротов на суше и в океане. Так образуются залежи горючихископаемых, происходит обогащение органическим углеродом осадочных пород и смыканиебольшого и малого круговоротов. Временным резервуаром углерода являются тела долгоживущих организмов, запасы мертвой органики, еще не успевшей разложиться, и почвенногогумуса. Экосистемы могут оказаться накопителями органического углерода даже принизкой продуктивности, всё определяет отставание скорости разложения от скоростисоздания органического вещества. К таким экосистемам относятся, например, болота,моховые тундры, таежные леса с большим запасом подстилки.

Суммарнаябиомасса организмов зависит от количества углерода, участвующего в системе биологическогокруговорота. Известную регуляторную роль играет растительность, которая способнадо некоторых пределов поглощать углекислый газ из воздуха и резервировать углеродв своих телах, увеличивая продуктивность и биомассу. Углекислый газ относится кпарниковым, и даже незначительное увеличение его содержания в воздухе может заметноповлиять на средние температуры и климат Земли. Поэтому уменьшение суммарной массырастительности, особенно лесной, при современных масштабах антропогенного уничтожениялесов грозит нарушить тонкое равновесие в цикле органического углерода, связанномс циклами многих других веществ в биосфере.

Кислород- самый распространенный химический элемент на Земле. Содержится он в основном всоставе воды и минералов. Свободный молекулярный кислород накапливается в биосферекак побочный продукт фотосинтеза и расходуется при дыхании организмов и на окислениевсех недоокисленных веществ на поверхности Земли. Накопление О2 в атмосфереи гидросфере происходит в результате неполной замкнутости цикла углерода. Захоронениеорганики в осадочных породах, углях, торфах послужило основой поддержания обменногофонда О2 в атмосфере.

Припрекращении фотосинтеза резерва кислорода, имеющегося в воздушной среде, хватилобы не более чем на 2 тыс. лет. Современное человечество усиленно «работает» на уменьшениезапасов свободного кислорода в биосфере — за счет сведения лесов и беспрецедентногосвязывания по свои масштабам сжигания топлива промышленностью и транспортом. Количествосвязываемого при этом кислорода достигло уже почти 14 млрд. т в год, что составляетпочти тридцатую часть кислорода, поставляемого растительностью, т.е. вполне сопоставимопо масштабам с биосферными процессами.

Азотвходит в состав важнейших органических молекул — ДНК, белков, липопротеидов, АТФ,хлорофилла и др. Недостаток азота часто является фактором, лимитирующим биологическуюпродукцию. Отношение общего количества азота к количеству углерода в биомассе составляет16: 106.

Молекулярныйазот атмосферы недоступен растениям, ассимиляция его ими возможна только из связанныхформ — аммиака, нитратов, мочевины. Поэтому биологический круговорот азота, целикомподдерживается деятельностью азотфиксирующих бактерий. Аммонифицирующие бактерии,разлагая органическое вещество, переводят азот в аммиачную форму, а продолжающиеэтот процесс нитрификаторы окисляют его до нитритов и нитратов. Денитрифицирующиебактерии завершают цикл, освобождая азот из нитратов и переводя его вновь в молекулярнуюформу.

Независимыйот жизнедеятельности бактерий механизм вовлечения молекулярного азота в биологическиециклы — разряды молний, способствующие возникновению аммиака и нитрата. Однако этипроцессы не восполняют потерь при денитрификации.

Деятельностьчеловека все сильнее влияет на круговорот азота в природе. Современная промышленностьудобрений фиксирует азот атмосферы в количествах, превышающих природную азотфиксацию.Избытки нитратов, поступающих через загрязнение вод и продуктов питания к человеку,угрожают его здоровью.

Фосфорвходит в состав нуклеиновых кислот, «энергетических молекул» АТФ и АДФ, фосфолипидовклеточных мембран, скелетных тканей животных. Отношение количества фосфора к количествуорганического углерода в биомассе составляет 1: 106.

Спецификакруговорота фосфора связана с тем, что он не образует летучих соединений и плохорастворим в воде. Основным процессом перевода фосфора в доступную для растений формуявляется выщелачивание его из подстилающих почвы горных пород. На суше из разлагающейсяорганики соединения фосфора возвращаются в почву, но частично вымываются в водоемыи, в конечном счете, в океан. В воде они почти не остаются в растворенном виде,а захораниваются в осадках, переходя в систему геологического круговорота. В биосфереосуществляется однонаправленный поток фосфора из горных пород суши в глубины океана,и обменный фонд его в гидросфере очень ограничен. Дефицит фосфора в толще океанскихвод — один из главных факторов, ограничивающих продуктивность водорослей.

Промышленноепроизводство фосфорных удобрений повышает поступление этого элемента за счет смывас полей в пресные водоемы и является одной из главных причин их бурной эвтрофикации,а также грозит нарушением природного равновесия в морях.

Всебиогеохимические циклы элементов связаны друг с другом в общую систему, посколькуатомы, имеющие разную «судьбу» в атмосфере, гидросфере и литосфере, вступают другс другом в реакции, объединяясь в разных соотношениях в составе органических молекул.

Всехимические элементы, используемые в процессах жизнедеятельности организмов, совершаютпостоянные перемещения, переходя из живых тел в соединения неживой природы и обратно.Возможность многократного использования одних и тех же атомов делает жизнь на Землепрактически вечной при условии постоянного притока нужного количества энергии. Однакоформы жизни меняются и влияют на геологическую историю.

3 Проблемы биологической продуктивности

Биологическаяпродуктивность,экологическоеи общебиологическое понятие, обозначающее воспроизведение биомассы растений, микроорганизмови животных, входящих в состав экосистемы; в более узком смысле — воспроизведениедиких животных и растений, используемых человеком. Биологическая продуктивностьреализуется в каждом отдельном случае через воспроизведение видовых популяций растенийи животных, идущее с некоторой скоростью. Может быть выражена определенной величиной- продукцией за год (или в иную единицу времени) на единицу площади (для наземныхи донных водных организмов) или на единицу объема (для организмов, обитающих в толщеводы и в почве). Продукция определенной видовой популяции может быть отнесена такжек ее численности или биомассе. Биологическая продуктивность различных наземных иводных экосистем проявляется во многих формах. Соответственно многообразны и используемыечеловеком продукты, воспроизводимые в природных сообществах (например, древесина,рыба, меха и мн. др.). Человек обычно заинтересован в повышении биологической продуктивностиэкосистем, т.к. это увеличивает возможности использования биологических ресурсовприроды. Однако в ряде случаев высокая биологическая продуктивность может приводитьк вредным последствиям (например, чрезмерное развитие в высокопродуктивных водахфитопланктона определенного видового состава — синезеленых водорослей в пресныхводах, токсичных видов перидиней — в морях).

Понятиебиологическая продуктивность во многих отношениях аналогично понятию плодородиепочвы, но по содержанию и объему шире последнего, т.к. может быть отнесено к любомубиогеоценозу, или экосистеме. Изредка термин «биологическая продуктивность»применяется по отношению к культурным сообществам, производительность которых вбольшой мере — результат приложения общественного труда. Однако и природные наземные и водные экосистемынаходятся под прямым или косвенным воздействием человека. Поэтому с ростом численностии научно-технической вооруженности человечества биологическая продуктивность все более разнообразных экосистемотражает не только их исходные естественноисторические особенности, но и результатвлияний человека.

Общейи адекватной мерой биологической продуктивностислужит продукция, но не биомасса сообщества или его компонентов. Биомасса отдельныхвидов или всего населения в целом может служить для оценки продукции и продуктивноститолько при сравнении экосистем одинаковой или сходной структуры и видового состава,но совершенно непригодна в качестве общей меры биологической продуктивности. Например, в результате высокойинтенсивности фотосинтеза одноклеточных водорослей планктона в наиболее продуктивныхучастках океана за год синтезируется на единицу площади примерно столько же органическихвеществ, сколько и в высокопродуктивных лесах, хотя их биомасса в сотни тысяч разбольше биомассы фитопланктона.

Продукциякаждой популяции за определенное время представляет собой сумму приростов всех особей,включающую прирост отделившихся от организмов образований и прирост особей, устраненных(элиминированных) по тем или иным причинам из состава популяции за рассматриваемоевремя. В предельном случае, если нет элиминации и все особи доживают до конца изучаемогопериода, продукция равна приросту биомассы.

Продукциюавтотрофных организмов, способных к фото- или хемосинтезу, называют первичной продукцией,а сами организмы — продуцентами. Основная роль в создании первичной продукции принадлежитзеленым растениям, высшим — на суше, низшим — в водной среде. Продукцию гетеротрофныхорганизмов обычно относят к вторичной продукции, а сами организмы называют консументами.Все виды вторичной продукции возникают на основе утилизации вещества и энергии первичнойпродукции; при этом энергия, в отличие от вещества, многократно возвращающегосяв круговорот, может быть использована для выполнения работы только один раз. Схематическисложные трофические связи можно представить в виде «потока энергии» черезэкосистему, т. е. ступенчатого процесса утилизации энергии солнечной радиации ивещества первичной продукции. Первый трофический уровень утилизации солнечной энергиисоставляют фотосинтезирующие организмы, создающие первичную продукцию, второй — потребляющие их растительноядные животные, третий — плотоядные животные, четвертый- хищники второго порядка. Каждый последующий трофический уровень потребляет продукциюпредыдущего, причем часть энергии потребленной и ассимилированной пищи идет на нуждыэнергетического обмена и рассеивается. Поэтому продукция каждого последующего трофическогоуровня меньше продукции предыдущего (например, выход на основе одной и той же первичнойпродукции растительноядных животных всегда больше, чем живущих за их счет хищников).Часто при переходе от низших трофических уровней к высшим снижается не только продукция,но и биомасса. Однако, в отличие от продукции, биомасса последующего уровня можетбыть и выше биомассы предыдущего (например, биомасса фитопланктона меньше суммарнойбиомассы всего живущего за его счет животного населения океана). Видное место вмеханизме биологической продуктивностизанимают гетеротрофные микроорганизмы, которые утилизируют поступающее со всех трофическихуровней мертвое органическое вещество, частично минерализуя его, частично превращаяв вещество микробных тел. Последние служат важным источником питания для многихводных (фильтраторы и детритофаги бентоса и планктона) и сухопутных (почвенная фауна)животных.

Подругому принципу продукцию делят на промежуточную и конечную. К промежуточной относятпродукцию, потребляемую другими членами экосистемы, вещество которой вновь возвращаетсяв осуществляемый в ее пределах круговорот. К конечной — продукцию, в той или инойформе отчуждаемую от экосистемы, т. е. выходящую за ее пределы. К конечной продукцииотносятся и используемые человеком виды продукции, которые могут принадлежать клюбому трофическому уровню, включая первый, занятый растениями.

Возрастающиепотребности и растущая техническая мощь человечества быстро увеличивают возможностиего влияния на живую природу. Возникает необходимость управления экосистемами. Всесредства влияния на биологическую продуктивностьэкосистем и управления ею, направлены либо на повышение полезной первичной продукции(разные формы удобрения, мелиорации, регулирования численности и состава потребителейпервичной продукции и пр.), либо на повышение эффективности утилизации первичнойпродукции на последующих трофических уровнях в нужном для человека направлении.Это требует хорошего знания видового состава и структуры экосистем и экологии отдельныхвидов. Наибольшие перспективы имеют такие формы хозяйственной эксплуатации живойприроды и управления ею, которые основаны на знании особенностей местных экосистеми характерных для них форм биологическойпродуктивности.

4  Пирамиды чисел, биомасс, энергии

Понятиео трофических уровнях. Трофический уровень — это совокупность организмов,занимающих определенное положение в общей цепи питания. К одному трофическому уровню принадлежаторганизмы, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней.

Так,зеленые растения занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядныеживотные — второй (уровень первичных консументов), первичные хищники, поедающиетравоядных, — третий (уровень вторичных консументов), а вторичные хищники — четвертый(уровень третичных консументов). Трофических уровней может быть и больше, когдаучитываются паразиты, живущие на консументах предыдущих уровней.

Такаяпоследовательность и соподчиненность связанных в форме трофических уровней группорганизмов представляет собой поток вещества и энергии в экосистеме, основу ее организации.

Трофическаяструктура экосистемы. В результате последовательности превращений энергии в пищевых цепях каждоесообщество живых организмов в экосистеме приобретает определенную трофическуюструктуру. Трофическая структура сообщества отражает соотношение между продуцентами,консументами (отдельно первого, второго и т.д. порядков) и редуцентами, выраженноеили количеством особей живых организмов, или ихбиомассой, или заключеннойв них энергией, рассчитанными на единицу площади в единицу времени.

Трофическуюструктуру обычно изображают в виде экологических пирамид. Эту графическуюмодель разработал в 1927 г. американский зоолог Чарльз Элтон. Основанием пирамидыслужит первый трофический уровень — уровень продуцентов, а следующие этажи пирамидыобразованы последующими уровнями — консументами различных порядков. Высота всехблоков одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующемуровне. Различают три способа построения экологических пирамид.

1.Пирамида чисел (численностей)отражает численность отдельных организмов на каждом уровне. Например, чтобы прокормитьодного волка, необходимо по крайней мере несколько зайцев, на которых он мог быохотиться; чтобы прокормить этих зайцев, нужно довольно большое количество разнообразныхрастений. Иногда пирамиды чисел могут быть обращенными, или перевернутыми. Это касаетсяпищевых цепей леса, когда продуцентами служат деревья, а первичными консументами- насекомые. В этом случае уровень первичных консументов численно богаче уровняпродуцентов (на одном дереве кормится большое количество насекомых).

2.Пирамида биомасс — соотношениемасс организмов разных трофических уровней. Обычно в наземных биоценозах общая массапродуцентов больше, чем каждого последующего звена. В свою очередь, общая массаконсументов первого порядка больше, нежели консументов второго порядка и т.д. Еслиорганизмы не слишком различаются по размерам, то на графике обычно получается ступенчатаяпирамида с суживающейся верхушкой. Так, для образования 1 кг говядины необходимо70-90 кг свежей травы.

В водныхэкосистемах можно также получить обращенную, или перевернутую, пирамиду биомасс,когда биомасса продуцентов оказывается меньшей, нежели консументов, а иногда и редуцентов.Например, в океане при довольно высокой продуктивности фитопланктона общая массав данный момент его может быть меньше, нежели у потребителей-консументов (киты,крупные рыбы, моллюски).

Пирамидычисел и биомасс отражают статику системы, т. е. характеризуют количествоили биомассу организмов в определенный промежуток времени. Они не дают полной информациио трофической структуре экосистемы, хотя позволяют решать ряд практических задач,особенно связанных с сохранением устойчивости экосистем. Пирамида чисел позволяет,например, рассчитывать допустимую величину улова рыбы или отстрела животных в охотничийпериод без последствий для нормального их воспроизведения.

3.Пирамида энергии отражаетвеличину потока энергии, скорость про хождения массы пищи через пищевую цепь. Наструктуру биоценоза в большей степени оказывает влияние не количество фиксированнойэнергии, а скорость продуцирования пищи.

Установлено,что максимальная величина энергии, передающейся на следующий трофический уровень,может в некоторых случаях составлять 30 % от предыдущего, и это в лучшем случае.Во многих биоценозах, пищевых цепях величина передаваемой энергии может составлятьвсего лишь 1 %.

В 1942г. американский эколог Р. Линдеман сформулировал закон пирамиды энергий (закон10 процентов), согласно которому с одного трофического уровня через пищевыецепи на другой трофический уровень переходит в среднем около 10 % поступившей напредыдущий уровень экологической пирамиды энергии. Остальная часть энергии теряетсяв виде теплового излучения, на движение и т.д. Организмы в результате процессовобмена теряют в каждом звене пищевой цепи около 90 % всей энергии, которая расходуетсяна поддержание их жизнедеятельности.

Еслизаяц съел 10 кг растительной массы, то его собственная масса может увеличиться на1 кг. Лисица или волк, поедая 1 кг зайчатины, увеличивают свою массу уже толькона 100 г. У древесных растений эта доля много ниже из-за того, что древесина плохоусваивается организмами. Для трав и морских водорослей эта величина значительнобольше, поскольку у них отсутствуют трудноусвояемые ткани. Однако общая закономерностьпроцесса передачи энергии остается: через верхние трофические уровни ее проходитзначительно меньше, чем через нижние.

Вотпочему цепи питания обычно не могут иметь более 3—5 (редко 6) звеньев, а экологическиепирамиды не могут состоять из большого количества этажей. К конечному звену пищевойцепи так же, как и к верхнему этажу экологической пирамиды, будет поступать такмало энергии, что ее не хватит в случае увеличения числа организмов.

Этомуутверждению можно найти объяснение, проследив, куда тратится энергия потребленнойпищи: часть ее идет на построение новых клеток, т.е. на прирост, часть энергии пищирасходуется на обеспечение энергетического обмена или на дыхание. Поскольку усвояемостьпищи не может быть полной, т.е. 100 %, то часть неусвоенной пищи в виде экскрементовудаляется из организма.

Учитывая,что энергия, затраченная на дыхание, не передается на следующий трофический уровеньи уходит из экосистемы, становится ясным, почему каждый последующий уровень всегдабудет меньше предыдущего.

Именнопоэтому большие хищные животные всегда редки. Поэтому также нет хищников, которыепитались бы волками. В таком случае они просто не прокормились бы, поскольку волкинемногочисленны.

Трофическаяструктура экосистемы выражается в сложных пищевых связях между составляющими еевидами. Экологические пирамиды чисел, биомассы и энергии, изображенные в виде графическихмоделей, выражают количественные соотношения разных по способу питания организмов:продуцентов, консументов и редуцентов.

Списоклитературы

1 Л. В. Передельский Экология Учебник;М.; 2006

2 А. В. Маринченко Экология Учебное пособие;М.; 2009

3 Т.А. Шустанова Биология Теоретическиеосновы; Ростов н/ Д; 2008

4 С.И. Колесников Общая биология; Ростовн/ Д; 2006

5 Л.П. Соколова Экология; М. 2007

6 А.П. Пехов Биология с основами экологии;С.-П. 2000