Модель биотического круговорота веществ

Солнечная энергия (движущая сила круговорота)

Восходящая ветвькруговорота: зелёные растения выполняют энергетическую функцию - синтез органических веществ из неорганических соединений: CO₂, H₂O… при фотосинтезе.Нисходящая ветвь: потери органического вещества 1) расходование органического вещества для осуществления дыхания растений ─ окисление до CO₂, возврат в атмосферу; 2) потребление растений консументами 1-го порядка.

Растительноядные животные являются пищей для плотоядных животных, которые расходуют энергию с пищей.

Каждое звено системы поставляет в окружающую среду органические остатки, которые служат источником пищи и энергии для микроорганизмов (бактерий, грибов…).

Завершающий этап превращения органического вещества ─ процессы образования плодородного слоя почвы и его окисления до CO₂, а также минерализация органических остатков до элементов, которые возвращаются в почву и атмосферу.

Таким образом, биотический круговорот представляет собой непрерывный процесс создания и разложения органического вещества. Реализуется при участии трёх групп организмов.

9. Экологическое равновесие естественных экосистем

Многие экосистемы существуют в течение десятков и даже сотен лет. Для поддержания такой стабильности экосистем необходима сбалансированность потоков вещества и энергии, процессов обмена между организмами и окружающей их средой.

Экологическое равновесие это состояние экосистемы, характеризующееся балансом между притоком и оттоком вещества и энергии в экосистеме. Другими словами, экологическое равновесиеэто относительная устойчивость видового состава живых организмов, их численности, продуктивности, распределения в пространстве, а также сезонных изменений, биологического круговорота веществ и других биологических процессов в экосистеме, приводящая к длительному (условно-бесконечному) существованию данной экосистемы. Конечно, ни одна экосистема не бывает абсолютно стабильной, неподвижной: периодически увеличивается численность одних видов, но уменьшается других. Подобные процессы происходят периодически и в целом не выводят систему из равновесия. Поэтому, главная особенность экологического равновесияего подвижность. Различают два типа подвижности равновесия:

• обратимые изменения в экосистеме это изменения экосистем в течение года с весны до весны с сохранением видового состава экосистем;

• экологические сукцессии (лат. succesio преемственность, наследование)это последовательная смена экосистем, возникающих на одной и той же территории или акватории (биотопе) под влиянием природных или антропогенных факторов. Термин предложен в 1898 году Г. Каулсоном.

В зависимости от первоначального состояния субстрата, на котором развивается сукцессия, различают первичную и вторичную сукцессии.

Первичная сукцессия это процесс развития экосистем на незаселённых ранее участках, начинающийся с их колонизации. Например, заселение возникших в результате вулканической деятельности островов. Или зарастание голой скалы сначала лишайниками, затем мхами, травами и другими растениями. В процессе первичной сукцессии формируются не только фитоценозы (греч. phytonрастение, koinosобщий), т.е. растительные биоценозы, но и почва.

Вторичная сукцессия это восстановление экосистем, когда-то уже существовавших на данном биотопе (рис. 5). В таких местах обычно сохраняются богатые жизненные ресурсы. Поэтому вторичные сукцессии приводят к образованию биоценозов значительно быстрее, чем первичные.

В зависимости от причин, вызвавших смену экосистем, сукцессии делят на аутогенные и аллогенные.

Аутогенные сукцессии (самопорождающиеся) возникают вследствие внутренних причин (изменением среды под действием сообщества), аллогенные (порожденные извне) вызваны внешними причинами (например, изменение климата).

В своем развитии экосистемы стремятся к устойчивому состоянию. Экологическая сукцессия заканчивается образованием климаксного сообщества, характеризующегося максимальной величиной биомассы на единицу энергетического потока и наибольшим разнообразием слагающих его видов.

Климаксное сообщество, климакс (греч. klimax лестница)это заключительная высшая стадия экологической сукцессии, когда биотические факторы находятся в полном соответствии с абиотическими факторами. Термин «климаксное сообщество» был введён Клементсом в 1916 г.

В основе экологического равновесия экосистем лежат сложнейшие цепи и сети причинно – следственных связей, основанные на механизме обратной связи, которые в большинстве случаев образуют замкнутые кольца, именуемые контуром обратной связи. Примером обратной связи является система «хищник – жертва», в которой численность «хищника» и «жертвы» взаимосвязаны, что определяет гомеостаз данной системы. Гомеостаз (гpeч. homois подобный, одинаковый; stasisнеподвижность), т.е. способность, возвращаться в исходное состояние системы, сохраняя устойчивое динамическое равновесие, противостоя внешним воздействиям.

Таким образом, экологическое равновесие – это динамическое равновесие притока и оттока энергии, вещества и информации, поддерживающее экосистему в определенном состоянии или ведущее к закономерной сукцессионной смене одной экосистемы другой. Существование экологического равновесия не означает отсутствия закономерных изменений во времени оно тесно связано с процессами становления и развития данной экосистемы. При колебаниях условий среды, выходящих за пределы, обычные для данной экосистемы, возникают нарушения экологического равновесия. Благодаря способности к самовосстановлению и саморегуляции, экосистемы во многих случаях восстанавливают нарушенное равновесие.

10. Круговорот воды, кислорода, углерода в биосфере, причины нарушения равновесного цикла

В круговороте веществ в экосистемах и в биосфере участвуют практически все химические элементы. Наиболее важными для биосферы и человека являются круговороты воды, кислорода, углерода, азота, фосфора.

Круговорот углерода (рис. 10) – один из самых важных биосферных процессов, поскольку углерод составляет основу органических веществ.

В круговороте участвует примерно 1/3 общего количества углерода биосферы. Этот углерод в форме диоксида углерода ежегодно усваивается организмами в процессе фотосинтеза и возвращается обратно в атмосферу, причем, вклад океана и суши примерно сходный. До 50% (по некоторым данным – до 90%) углерода в форме диоксида углерода возвращают в атмосферу микроорганизмы почвы, кроме того, они выделяют метан. Выделение метана из почвы возрастает при переувлажнении, когда создаются анаэробные условия, благоприятные для деятельности метанообразующих бактерий. По этой причине резко увеличивается выделение метана лесной почвой, если древостой вырублен и вследствие уменьшения транспирации происходит ее заболачивание (это имеет место в на северо-западе РБ). Значительное количество метана выделяется с рисовых полей, свалок твердых бытовых отходов, сельскохозяйственными животными.

В настоящее время в связи со сжиганием значительного количества ископаемых углеродистых энергоносителей отмечается нарушение круговорота углерода. Увеличивается количество диоксида углерода и при разрушении пахотных почв. В целом содержание диоксида углерода в атмосфере ежегодно возрастает на 0,6%. Еще быстрее – на 1-2% – возрастает содержание метана. Эти газы являются главными виновниками усиления парникового эффекта. Однако пока доля техногенного диоксида углерода в круговороте составляет не более 10%.

Для того чтобы вернуть круговороту углерода равновесие, необходимо увеличить площадь лесов и сократить выброс газов при сжигании углеродистых энергоносителей.

Круговорот кислорода (рис. 11) осуществляется путем пополнения его запасов в атмосфере в результате фотосинтеза растений и его поглощения при дыхании организмов и сжигании топлива в хозяйстве человека.

В настоящее время поддерживается равновесный круговорот кислорода, хотя в крупных густонаселенных городах с промышленными предприятиями и большим количеством транспорта возникают его локальные нарушения.

Круговорот воды протекает по следующей схеме (рис. 12):

– испарение;

– перенос водяного пара;

– конденсация;

– выпадение атмосферных осадков;

– поверхностный и внутрипочвенный сток в водоемы.

Вода испаряется не только с поверхности водоемов и почв, но и живыми организмами, ткани которых на 70 % состоят из воды. Большое количество воды испаряется растениями, в особенности деревьями. Растения испаряют около 1/3 всей воды осадков, так как на созидание 1 кг органического вещества в разных районах расходуется от 200 до 500 л воды.

До развития цивилизации круговорот воды был равновесным, однако в последние десятилетия вмешательство человека нарушает его. В частности, уменьшается испарение воды лесами ввиду сокращения их площади и, напротив, увеличивается испарение с поверхности почвы при орошении сельскохозяйственных угодий. Испарение воды с поверхности океана уменьшается вследствие появления на значительной части его поверхности нефтяной пленки. Влияет на круговорот воды потепление климата, вызываемое парниковым эффектом (см. раздел 7.5). При усилении этих тенденций могут произойти существенные изменения круговорота, опасные для биосферы.

Круговороты веществ характеризуются скоростью, замкнутостью и типом запасного фонда. Для азота и кислорода фондом является атмосфера, для воды – океан, для минеральных элементов – земная кора. Особое положение занимает углерод, для которого резервный фонд углекислого газа расположен в атмосфере, а резервный фонд твердых (уголь, известь), жидких (нефть) и некоторых газообразных (природный газ) веществ – в земной коре.

11. Круговорот азота, фосфора в биосфере, причины нарушения равновесного цикла.

Круговорот азота протекает по следующей схеме (рис. 13):

– перевод инертного азота атмосферы в доступные для растений формы (биологическая азотфиксация, образование аммиака при грозовых разрядах, производство азотных удобрений на заводах);

– усвоение азота растениями;

– переход части азота из растений в ткани животных;

– накопление азота в детрите;

– разложение детрита микроорганизмами-редуцентами до восстановления молекулярного азота, который возвращается в атмосферу.

В настоящее время вследствие уменьшения доли естественных экосистем биологическая азотфиксация стала меньше, чем промышленная фиксация азота, причем к 2020 г.

ожидается дальнейшее увеличение промышленной азотфиксации в 1,5 раза. До половины азота, вносимого на поля, вымывается в грунтовые воды, озера, реки и вызывает эвтрофикацию водоемов.

Значительное количество азота из ископаемых его источников (нефть, газ, уголь) в форме оксидов азота поступает в атмосферу в результате ее загрязнения промышленностью и транспортом, а из атмосферы с кислотными дождями попадает в наземные и водные экосистемы.

Экологически безопасной считается величина эмиссии азота 10-30 кг/га в год (в РБ эта норма не превышается). При более высоких нагрузках происходят значительные изменения в экосистемах.

Восстановление естественного круговорота азота возможно за счет уменьшения производства азотных удобрений, резкого сокращения промышленных выбросов оксидов азота в атмосферу и расширения площади посевов бобовых, которые симбиотически связаны с бактериями-азотфиксаторами.

Круговорот фосфора (рис. 14), в отличие от круговоротов углерода и азота, которые являются закрытыми, – открытый, так как фосфор не образует летучих соединений, которые могли бы возвращаться в атмосферу.

Фосфор содержится в горных породах, откуда выщелачивается в почву и усваивается растениями, а затем по пищевым цепям переходит к животным. После разложения мертвых тел растений и животных редуцентами не весь фосфор вовлекается в круговорот, часть его вымывается из почвы в водоемы (реки, озера, моря), Там фосфор оседает на дно и совсем не возвращается на сушу, либо в небольших количествах возвращается с выловленной человеком рыбой или с экскрементами птиц, питающихся рыбой. Скопления экскрементов морских птиц служили в недалеком прошлом источником ценнейшего органического удобрения (гуано), однако, в настоящее время его ресурсы практически исчерпаны.

Отток фосфора с суши в океан усиливается вследствие возрастания поверхностного стока воды при уничтожении лесов, распашке почв и внесении фосфорных удобрений. Поскольку запасы фосфора на суше ограничены, а его возврат из океана проблематичен, в будущем в земледелии возможен недостаток фосфора, что вызовет снижение урожаев (в первую очередь зерна). Поэтому необходима экономия ресурсов фосфора и использование тех его запасов, эксплуатация которых раньше считалась экономически невыгодной (в частности для сельского хозяйства РБ большую роль могут сыграть Ашинские фосфриты). Обсуждается и возможность возвращения фосфора со дна океана.

12. Законы Б. Коммонера, примеры.

В течение истории Земли необратимость биологической эволюции определила необратимость динамики веществ в биосфере, выявляемых по характеру древних осадков.

барри Коммонер (1974) выдвинул ряд положений, которые сегодня называют законами экологии: 1) все связано со всем; 2) все должно куда-то деваться; 3) природа «знает» лучше; 4) ничто не дается даром. Первый закон барри коммонера «Все связано со всем» отражает существование сложнейшей сети взаимодействий в экосфере. Он предостерегает человека от необдуманного воздействия на отдельные части экосистем, что может привести к непредвиденным последствиям.Второй закон коммонера«Все должно куда-то деваться» вытекает из фундаментального закона сохранения материи. Он позволяет по-новому рассматривать проблему отходов материального производства. Огромные количества веществ извлечены из Земли, преобразованы в новые соединения и рассеяны в окружающей среде без учета того факта, что «все куда-то девается». И как результат — большие количества веществ зачастую накапливаются там, где по природе их не должно быть.Третий закон барри коммонера «Природа знает лучше» исходит из того, что «структура организма нынешних живых существ или организмов современной природной экосистемы — наилучшие в том смысле, что они были тщательно отобраны из неудачных вариантов и что любой новый вариант, скорее всего, будет хуже существующего ныне». Этот закон баррипризывает к тщательному изучению естественных био и экосистем, сознательному отношению к преобразующей деятельности. Без точного знания последствий преобразования природы недопустимы никакие ее «улучшения».Четвертый закон«Ничто не дается даром», по мнению Барри Коммонера, объединяет предшествующие три закона, потому что биосфера как глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которой ничего не может быть выиграно или потеряно и которая не может являться объектом всеобщего улучшения; все, что было извлечено из нее человеческим трудом, должно быть возмещено. Платежа по этому векселю нельзя избежать; он может быть только отсрочен.

В законах Барри Коммонераобращается внимание на всеобщую связь процессов и явлений в природе: любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды. Пока мы не имеем абсолютно достоверной информации о механизмах и функциях природы, мы, подобно человеку, не знакомому с устройством часов, но желающему их починить, легко вредим природным системам, пытаясь их улучшить. Иллюстрацией здесь может служить то, что один лишь математический расчет параметров биосферы требует безмерно большего времени, чем весь период существования нашей планеты как твердого тела.

1. Все связано со всем(или «все влияет на все»). Это очень лаконичная перефразировка закона материалистической диалектики о всеобщей взаимосвязи и взаимообусловленности предметов и явлений в природе и обществе. Ф.Энгельс писал: «Ведь в природе ничего не совершается обособленно. Каждое явление действует на другое, и обратно».

Этот «закон» отражает колоссальное число связей между миллиардами населяющих биосферу живых существ и окружающей их средой, между биосферой и обществом, между компонентами различных экосистем, биосферой и солнцем. Известны неожиданные цепочки связей. Приведем примеры. Неумеренная вырубка лесов вызывает лесов вызывает: снижение лесистости – увеличение поверхностного стока – уменьшение запаса грунтовых вод – смыв почвы – обмеление и заиление рек и озер – сокращение площади пойм – сокращение продуктивности земель, кормовых угодий – снижение продуктивности животноводства – дефицит продовольственных товаров.

2. Все должно куда-то деваться.Это перефразировка закона сохранения вещества и энергии: ничто не исчезает бесследно. Попав в окружающую среду, вещество (мусор) переходит из одной формы в другую, перемещается с места на место, из одной экосистемы в другую, из района в район, нередко концентрируется по цепям питания. Все, что человек выбрасывает в процессе производства во внешнюю среду, рано или поздно попадает через продукты питания, воздух и воду в организм человека, вызывая многочисленные заболевания, преждевременное старение и смерть.

3. Природа знает лучше(в трактовке русской народной поговорки «Природу не перехитрить»). «Закон» основан на теории эволюции. Современные организмы, воды и экосистемы – результат эволюции за 2-3 млрд. лет, результат жестокого отбора в процессе острейшей конкуренции и борьбы за существование. Природа из многих миллиардов типов веществ (например, белков), из которых строятся организмы, отобрала ограниченное число наиболее приемлемых в земных условиях. На все эти вещества имеются разлагающие их ферменты. Многие же искусственные соединения не имеют соответствующих ферментов, поэтому они накапливаются, загрязняя окружающую среду. Из многих миллионов видов организмов и экосистем отобраны наиболее продуктивные и устойчивые для конкретных природных условий. В результате разрушения человеком экологической среды (экоцида), биогеоцинозов (ценозоцида), истребления растений и животных (геноцида) эволюционный процесс либо полностью прерывается, либо изменяются его направленность, темп, масштабность. По мнению Б.М.Козо-Полянского, «в не столь отдаленном будущем все население земли сведется к человечеству, культурным растениям, домашним животным и их спутникам и паразитам. Все остальное живое будет уничтожено».

4. Ничто не дается даром.За все блага приходится платить. Глобальная система едина. Выигрыш в одном месте сопровождается потерей в другом. В каждом конкретном случае соотношение выигрыша и потери будет различным, могут быть весьма большие отклонения в ту или иную сторону. Так, затопление пойменных лугов при создании ГЭС вынуждает тратить большое количество энергии на производство кормов на поливных землях. Неумеренный забор воды из рек при орошении земель уменьшает сток этих рек, вызывает обмеление и высыхание их, а также тех внутренних водоемов, в которые впадают эти реки. В итоге нередко происходит опустынивание ландшафтов вокруг обмелевших или исчезнувших водоемов. Природа настолько сложна и совершенна, что «почти каждый наш шаг вперед приносит одновременно и пользу, и вред».

13. Экологические пирамиды. Закон изменения объема биомассы по трофической (пищевой) цепи, закон Линдемана