Круговорот веществ и энергии в экосистемах

    2) Пирамида биомассы (на схеме —  2). С ее помощью можно наглядно  показать соотношения биомасс  на каждом из трофических уровней.  Она может быть прямой, если  размер и срок жизни продуцентов  достигает относительно больших  величин (наземные и мелководные  экосистемы), и обращенной, когда  продуценты невелики по размеру  и имеют короткий жизненный  цикл (открытые и глубокие водоемы).

    3) Пирамида энергии (на схеме  — 3). Отражает  величину потока  энергии и продуктивность на  каждом из трофических уровней.  В отличии от пирамид численности  и биомассы, пирамида энергии  не может быть обращенной, так  как переход энергии пищи на  вышестоящие трофические уровни  происходит с большими энерго-потерями. Следовательно, суммарная энергия каждого предыдущего трофического уровня не может быть выше  энергии последующего. Вышеприведенное рассуждение основано на использовании второго закона термодинамики, поэтому пирамида энергии в экосистеме служит его наглядной иллюстрацией. 

    Из  всех названных выше трофических  характеристик экосистемы только пирамида энергии дает наиболее полное представление  об организации биологических сообществ. В пирамиде численности сильно преувеличена роль мелких организмов, а в пирамиде биомассы завышено значение крупных. В  таком случае, данные критерии непригодны для сравнении функциональной роли популяции, сильно различающихся по значению отношения интенсивности  метаболизма к размеру особей. По этой причине, именно поток энергии  служит наиболее подходящим критерием  для сравнения отдельных компонентов  экосистемы между собой, а также  для сравнения двух экосистем  друг с другом.

    Знание  основных законов превращения энергии  в экосистеме способствуют лучшему  пониманию процессов функционирования экосистемы. Это особенно важно в связи с тем, что вмешательство человека в ее естественную "работу" может привести экологическую систему к гибели. В связи с этим, он должен уметь заранее предсказывать результаты своей деятельности, и представление об энергетических потоках в экосистеме сможет обеспечить большую точность этих предсказаний. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Круговорот  веществ в экосистеме

    Благодаря пищевым цепям, в экосистеме, наряду с перемещением энергии, происходит и транспортировка различных  химических элементов. Как и в  случае с энергетическими потоками, движущей силой круговорота веществ  - служит солнечная энергия. Это связано с тем, что в биомассе организмов происходит накопление тех или иных химических веществ, а, значит, при переходе энергии  по пищевым цепям также осуществляется и передача веществ, содержащихся в биомассе. Поток веществ сопровождает собой поток энергии в экосистеме, который, в свою очередь, берет начало от энергии солнечного света. Круговорот химических веществ обусловлен также влиянием абиотических составляющих экосистемы (например, климатическим фактором), а также активной хозяйственной деятельностью человека. Потоки веществ в экосистеме объединены понятием биогеохимический круговорот. Биогеохимический круговорот — циркуляция в биосфере химических элементов и неорганических соединений по характерным путям из внешней среды в организмы и из организмов во внешнюю среду. Химические элементы, участвующие в круговороте, не бывают равномерно распределены по всей экосистеме. Кроме того, они могут находиться в различных химических формах. Поэтому, при изучении биогеохимических циклов следует выделить две части.

    1) Резервный фонд — большая масса  медленно движущихся веществ,  в основном не связанных с  организмами. Он сосредоточен  в земной коре, атмосфере и  гидросфере. Перемещение веществ  в резервном фонде происходит  благодаря влиянию абиотических  факторов экосистемы.

    2) Обменный фонд. Он представляет  собой неорганические вещества, содержащиеся в живых организмах. Для него характерно быстрое  перемещение химических элементов  между органической и неорганической  средами. 

    По  своей природе биогеохимические циклы также подразделяются на две  категории. Первая из них — круговорот газообразных веществ с резервным  фондом в атмосфере или гидросфере. Другая же представляет собой осадочный  цикл (т.е. круговорот твердых веществ) с резервным фондом в земной коре. Круговорот газообразных веществ отличает его способность к поддержанию  определенных концентраций тех или  иных газов, причем концентрации будут  примерно одинаковыми во всех точках атмосферы и гидросферы. В осадочных  циклах скорость потока веществ намного  ниже, чем в газообразном круговороте, так как основная масса их сосредоточена  в земной коре, отличающейся своей  малоподвижностью и малоактивностью. Из-за этого, способность к саморегуляции  в осадочном круговороте не так  велика, как в случае с циркуляцией  газообразных веществ.

    Схему биогеохимического круговорота  можно изобразить в сочетании  с упрощенной схемой потока энергии  пищевой цепи, приводящем в движение круговорот веществ. Данная схема представляет собой кольцо, направленное от автотрофам к гетеротрофам, а затем замыкающегося  на автотрофах. Из данного изображения  видно, что при изучении биогеохимических круговоротов главное внимание уделяют  резервному фонду, то есть части круговорота, физически и химически отделенной от живых организмов.

    Схема биогеохимического круговорота.

    При изображении биогеохимических циклов отдельных веществ акцент делается на обмене между организмами и  резервным фондом, а также на путях  движения веществ внутри экосистемы. В связи с этим, любую экосистему можно представить в виде ряда блоков, через которые проходят различные  вещества, и в которых данные вещества могут оставаться на протяжении различных  периодов времени.  В круговоротах минеральных веществ в экосистеме обычно участвуют три блока: живые  организмы, мертвый органический детрит и доступные неорганические вещества. В качестве примеров биогеохимических циклов можно рассмотреть круговороты  азота, фосфора и серы. Концентрация азота и фосфора в экосистеме часто напрямую влияют на численность  организмов в экосистеме (т.е. являются лимитирующими факторами), а круговорот серы может служить наглядной  иллюстрацией связей, сложившихся между  атмосферой, гидросферой и земной корой.

    Резервный фонд круговорота азота сосредоточен в атмосфере. Атмосферный азот, благодаря  деятельности азотофиксирующих бактерий, а также посредством атмосферных  явлений, попадает в почву или  воду в виде соединений с другими  элементами (т.н. нитратов). Затем азот усваивается продуцентами, а после  и консументами. При разложении деструкторами  мертвого органического вещества и  вместе с продуктами выделения животных, в почвенной и водной средах  происходит накопление азотосодержащего газа аммиака. В дальнейшем, под воздействием различных бактерий, азот либо снова  попадает в атмосферу, либо в составе  нитратов оказывается в почве  и воде. Причем растворенные в воде нитраты могут оседать на дне  водоемов, и в этом вучае азот, содержащийся в них, выпадает из круговорота  веществ.

      Схема круговорота азота.

    В отличие от азота, резервным фондом круговорота фосфора служат горные породы и другие отложения, образовавшиеся в течении миллионов лет. Содержащиеся в них соединения фосфора (фосфаты) подвергаются постепенному растворению, после чего фосфор из растворенных фосфатов переходит к растениям, а затем и к животным. После  разложения мертвого органического вещества, фосфор, находившейся в нем, оказывается в составе соединений, содержащихся в воде и почве, и снова попадает в обменый фонд круговорота. Однако часть останков животных (прежде всего костная ткань)  со временем соединяется с фосфатными породами или отложениями на дне водоемов. В последнем случае происходит выпадение фосфора из биогеохимического цикла. Но возвращение фосфора в круговорот происходит в гораздо меньших количествах, чем выпадение из него. Деятельность человека также приводит к большим утечкам фосфора, в результате чего в будущем может начаться дефицит данного элемента.

    Одной из основных особенностей круговорота  серы состоит в том, что его  резервный фонд находится одновременно и в почве, и в атмосфере. В  виде соединений с металлами (сульфидов) она залегает в виде руд на суше и входит в состав глубоководных  отложений. В доступную для усвоения организмами растворимую форму  эти соединения переводятся так называемыми химосинтезирующими бактериями, способными получать энергию путём окисления восстановленных соединений серы. В результате образуются  т.н. сульфаты, которые используются растениями. Глубоко залегающие сульфаты вовлекаются в круговорот другой группой микроорганизмов, восстанавливающих сульфаты до сероводорода. 

    Схема круговорота фосфора.

    В заключении, необходимо рассмотреть  биогеохимические циклы углерода и  воды. Углерод имеет исключительное значение для живого вещества. Из углерода в экосистеме создаются миллионы органических соединений. Углерод из углекислого газа атмосферы в  процессе фотосинтеза, осуществляемого  растениями, ассимилируется и превращается в органические соединения растений, а затем и животных. На следующем  этапе круговорота органическая масса в результате дыхания и  разложения превращается в углекислый газ или оседают в виде органических отложений (например, торфа) которые, в  свою очередь, дают начало многим другим соединениям — каменным углям, нефти. В активном круговороте углекислый газ Û живое вещество участвует очень небольшая часть всей массы углерода. Огромное количество углекислоты законсервировано в виде ископаемых известняков и других пород.

    Между углекислым газом атмосферы и  водой океана существует подвижное  равновесие. Организмы поглощают  углекислый кальций, создают свои скелеты, а затем из них образуются пласты известняков. Атмосфера пополняется  углекислым газом благодаря процессам  разложения органических веществ, карбонатов и т.д. Особенно мощным источником являются вулканы, газы которых состоят главным  образом из паров воды и углекислого  газа, а также сжигание ископаемого  топлива человеком.

    В процессе протекания круговорота воды, происходит испарение влаги с  поверхности водоемов и уход ее в  воздушную среду, после чего она  переносится потоками воздуха на большие расстояния. В дальнейшем, вода выделяется из атмосферы посредством  осадков. Часть из них растворяют горные породы и таким образом  делают содержащиеся в их составе  соединения доступными для усвоения продуцентами. Благодаря атмосферным  осадкам также образуется фонд грунтовых  вод. Не следует забывать и о потреблении  воды живыми организмами. Особое внимание следует акцентировать на том, что  водоемы с испарением теряют больше воды, чем получают с осадками. Кроме  того, в результате деятельности человека сокращается пополнение грунтовых  вод. Следовательно, вода является трудновосполнимым  ресурсом, требующим очень рационального  использования.

    Схема круговорота серы. 

    Схема круговорота углерода. 

    Схема круговорота воды.

    Таким образом, главное свойство потоков веществ в экосистемах — их цикличность. Вещества в экосистемах совершают сложный многоступенчатый круговорот, попадая сначала к живым организмам, затем в абиотическую среду и вновь возвращаясь к организмам. При этом, часть массы веществ могут надолго выпасть из биогеохимических циклов. Биогеохимические циклы веществ сопровождают энергетические потоки в экосистемах. Вмешательство человека в данные процессы может неблагоприятно сказаться на состоянии отдельных экосистем и биосферы в целом. Поэтому действия людей по отношению к экосистемам должны носить осторожный и предсказуемый характер, а для выполнения этого условия необходимо знать все закономерности функционирования потоков веществ и энергии в биосфере, так как именно вышеназванные процессы обеспечивают ее нормальное функционирование. 
 

                                                      Заключение

    Знание  законов продуктивности экосистем, возможность количественного учета  потока энергии имеют важное практическое значение, поскольку продукция природных  и искусственных сообществ (агроиенозов) является основным источником запасов  пищи для человечества. Точные расчеты  потока энергии и масштабов продуктивности экосистем позволяют регулировать в них круговорот веществ таким  образом, чтобы добиваться наибольшего  выхода необходимой для человека продукции. 

    Таким образом, атомы основных химических элементов постоянно совершают  миграцию через многие живые организмы  и костную среду. Без миграции атомов жизнь на Земле не могла  бы существовать: растения без животных и бактерий вскоре исчерпали бы запасы углекислого газа и минеральных  веществ, а животные баз растений лишились бы источника энергии и  кислорода 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы

1. Бродский А.К: Краткий курс общей экологии. СПб, 2000
2. Бурков А.С: Круговорот веществ и баланс энергии в экосистеме.
3. Гринберг Я: Круговорот кислорода, углерода, азота, фосфора и серы в биосфере. М, 1999.
4. Чистик О.В: Экология, учебное пособие. Минск, 2000
5. Небел Б. Наука об окружающей среде: Как устроен мир: В 2 т. - М.:Мир, 1993. 
6. Одум Ю. Экология: В 2 т. - М.: Мир, 1986. 
7. Реймерс Н. Ф. Охрана природы и окружающей человека Среды: Словарь-справочник. - М.:Просвещение, 1992. - 320 с.