Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Московский государственный университет




Для поддержания глобального круговорота веществ в природе необходимо наличие запаса

неорганических молекул в усвояемой форме и трех функционально различных экологических групп организмов: продуцентов, консументов, редуцентов. Продуценты - автотрофные организмы, способные строить свои тела за счет использования энергии Солнца и неорганических соединений. Неорганические компоненты среды являются дляП. пищевыми ресурсами, а свет энергетический ресурс.

Консументы – это гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество продуцентов или других консументов и трансформирующие его в новые формы. Они составляют 10% всех гетеротрофных организмов планеты.

Редуценты- живут за счет мертвого органического вещества, переводя его вновь в неорганические соединения.

Они составляют 90% всех гетеротрофных организмов планеты. Пищевая специализация в наиболее общей форме выражена в подразделении всех живых организмов на автотрофов и гетеротрофов. Первые в циклах биогенного круговорота составляют уровень продуцентов, вторые – консументов и редуцентов. Автотрофы, используя энергию солнечной радиации (фотосинтетики) или химических связей (хемосинтетики), из углекислого газа, воды и минеральных элементов синтезируют основные классы органического вещества: углеводы, жиры (липиды), белки, нуклеиновые кислоты и др. Значение этих веществ для жизни организмов неодинаково.

На постоянном и сложном взаимодействии всех компонентов основанпервый закон функционирования экосистем : получение ресурсов и избавление от отходов происходит в рамках круговорота всех элементов.

Углеводы. Это вещества, представляющие собой соединения углерода, водорода и кислорода с принципиальной формулой С m 2О) n. К этому классу относятся сахара, подразделяющиеся на моно- (С6 Н12 О6 ) и дисахариды (С12Н22О11), а также полисахариды,в которых молекулы простых сахаров объединяются в сложные комплексы. Наиболее важны из полисахаридов - крахмал (характерен для растений), гликоген (характерен для животных) и клетчатка (целлюлоза), составляющая основу растительных клеток.

Важно отметить, что в составе клетчатки многочисленные молекулы глюкозы связаны иначе, чем в молекуле крахмала, и эти связи не разрушаются амилолитическими ферментами, гидролизующими крахмал. Поэтому подавляющее большинство растительноядных животных может переваривать клетчатку только с помощью симбиотических бактерий, обладающих специфическими ферментами.

Основная функция углеводов в организме – обеспечение энергией различных процессов метаболизма. При окислении 1 г углеводов выделяется 17,6 кДж (4,2 ккал) энергии.

Липиды (жиры). Содержат те же элементы, что и углеводы, но в несколько ином соотношении. Молекула нейтрального жира состоит из одной молекулы трехатомного спирта глицерина и трех молекул жирных кислот. По своей функции жиры – наиболее распространенные энергетические резервные вещества. Их использование для получения энергии идет путем расщепления молекулы жира (триглицерина) на глицерин и жирные кислоты и последующего окисления последних. При этом на 1 г расщепленного жира высвобождается 38,9 кДж (9,3 ккал) энергии. Как энергетические резервы жировые запасы широко встречаются и в растительном, и в животном мире.

Белки.Это вещества со сложно структурированной молекулой, содержащей большое число атомов углеродов, водорода, кислорода и азота с включением ряда других элементов (сера, фосфор и др.)

Структурные единицы белковой молекулы – аминокислоты. В процессе метаболизма молекула белка гидролизуется до отдельных аминокислот, из которых может быть синтезирована новая белковая молекула. Такая трансформация белков в процессах метаболизма создает все множество конкретных форм белка, известных в органическом мире.

Основные функции белка: структурная (белки – основные структурные компоненты клеток всех живых организмов), метаболическая (ферменты), регуляторная (гормоны), транспортная (транспорт кислорода, гормонов, питательных веществ и т.п.), защитная (участие в иммунной системе). Реже белки собственного тела используются как источник энергии; при полном расщеплении 1 г белка выделяется 17,6 кДж (4,2 ккал) энергии.

Масштабы экосистем в природе чрезвычайно различны. В качестве отдельных экосистем можно рассматривать и разрушающийся пень с его населением, небольшой водоем, луг, лес, степь, пустыню, весь океан, и наконец, всю поверхность Земли, занятую жизнью. В соответствии с иерархией сообществ жизнь на Земле проявляется ив иерархичности соответствующих экосистем. Экосистемная организация жизни является одним из необходимых условий ее существования. Запасы биогенных элементов, из которых строят тела живые организмы, на Земле в целом, и на каждом конкретном участке ее поверхности небезграничны. Лишь система круговоротов могла придать этим запасам свойство бесконечности, необходимое для проведения жизни. Поддерживать и осуществлять круговорот могут только функционально-различные группы организмов. Таким образом, дальнейшее свойство жизни – функционально экологическое разнообразие живых существ и организация потока извлекаемых из окружающей среды веществ в циклы.

Итак, 1- экосистемы это составные единицы биосферы; 2 – э. состоят из органических и неорганических веществ; 3 – между компонентами экосистемы существует обмен вещества и энергии, они открытые термодинамические системы; 4- экосистемы стабильны и имеют четко выраженный внутренний круговорот веществ , э. в определенной степени способны к саморегуляции; 5 – экосистемы образованы в ходе длительной эволюции, это результат адаптации видов к окружающей среде. Экосистемы – открытые системы и для своего существования им необходимо постоянное поступление энергии, т.к. все преобразования вещества идут с затратами энергии. Экосистема обладает признаками безразмерности, ей не свойственны территориальные ограничения. Размер экосистемы не может быть выражен в физических единицах измерения ( площадь, длина, объем и т.д.). Он выражается системной мерой, учитывающей процессы обмена веществ и энергии.

Энергия в экосистемах.Энергия – это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи, благодаря чему все явления природы связаны воедино. Источником первичной энергии для экосистем является лучистая и корпускулярная энергия, приходящая от Солнца и падающая на горизонтальную поверхность Земли со средней интенсивностью 8,165 Дж/см2 в мин. Изменение энергии в системе происходит при совершении работы. Свойства энергии можно описать следующими законами:

Первый закон термодинамики (или закон сохранения энергии) гласит, что энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается заново. Свет – это одна из форм энергии, т.к. его можно превратить в работу, тепло, или потенциальную энергию пищи в зависимости от ситуации, но энергия при этом не пропадает.

Второй закон термодинамики, или закон энтропии можно сформулировать таким образом: процессы, связанные с превращением энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную (деградирует). К примеру, тепло горячего предмета самопроизвольно стремится рассеяться в более холодной среде. Второй закон термодинамики можно сформулировать и так: поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде недоступной для использования тепловой энергии, эффективность самопроизвольного превращения кинетической энергии (света) в потенциальную энергии (например, энергию химических соединений протоплазмы) всегда меньше 100%. Энтропия (от греч. поворот, превращение) – мера количества связанной энергии, которая становится недоступной для использования. Этот термин используют как меру изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии.

Важнейшая термодинамическая характеристика организмов, экосистем и биосферы в целом – способность создавать и поддерживать высокую степень упорядоченности, т.е. состояние с низкой энтропией.

Экосистемы и организмы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая при этом энтропию внутри себя, но увеличивая энтропию вовне в соответствии с законом термодинамики.

Все разнообразие проявления жизни сопровождается превращением энергии, хотя энергия при этом не создается и не уничтожается (1-й закон термодинамики). Энергия, получаемая в виде света поверхностью Земли, уравновешивается энергией, излучаемой с поверхностью Земли в форме невидимого теплового излучения. Процесс образования энергии в живых организмах и ее дальнейшее преобразование выглядит так : СО2 + Н2О + солн. Свет + хлорофилл ------ АТФ ------ орг. Вещ-во ------ дыхание-----СО2+Н2О+ АТФ ------- рост, развитие, размножении и т.д.

Сущность жизни состоит в непрерывной последовательности таких изменений, как рост, само произведение и синтез сложных химических соединений. Без переноса энергии, сопровождаемого все эти изменения, не было бы ни жизни, ни экологических систем. Наша цивилизация одно из замечательных явлений природы, зависящих от постоянного притока концентрированной энергии. Если бы потеряв способность добывать и хранить достаточное количество высококачественной энергии, человечество стало бы закрытой системой, оно в соответствии со вторым законом термодинамики, вскоре утратило бы упорядоченность.

Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот вещества в экосистемах возможны только за счет постоянного притока энергии. В конечном итоге вся жизнь на Земле существует за счет энергии солнечного излучения, которая переводится фотосинтезирующими организмами в химические связи органических соединений. Гетеротрофы получают энергию с пищей, Все живые существа являются объектами питания других, т.е. связаны между собой энергетическими отношениями. Пищевые связи в сообществах – это механизм передачи энергии от одного организма к другому. В каждом сообществе трофические связи переплетены в сложную сеть. Создается впечатление, что энергия, поступившая в них, может долго мигрировать от одного организма к другому. В этом состоитвторой принцип функционирования экосистем : они существуют за счет не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.

На самом деле путь каждой конкретной порции энергии, накопленной растениями, кроток. Она может передаваться не более чем через 4-6 звеньев ряда, состоящего из последовательно питающихся друг другом организмов. Такие ряды, в которых можно проследить пути расходования изначальной дозы энергии, называютцепями питания. Место каждого звена в цепи питания называют трофическим уровнем. Первый трофический уровень – всегда продуценты, создатели органической массы; растительноядные консументы относятся ко второму трофическому уровню; плотоядные, живущие за счет растительноядных форм, - к третьему; потребляющие других плотоядных - соответственно к четвертому и т.д. Виды с широким спектром питания могут включаться в пищевые цепи на разных трофических уровнях. Так, например, человек в рацион, которого входит как растительная пища, так и мясо травоядных и плотоядных животных, выступает в разных пищевых цепях в качестве консумента первого, второго и третьего порядков.

Энергетический баланс консументов складывается следующим образом. Поглощенная пища обычно усваивается не полностью, не усвоенная часть вновь возвращается во внешнюю среду (в виде экскрементов) и в дальнейшем может быть вовлечена в другие цепи питания. Процент усвояемости зависит от состава пищи и набора пищеварительных ферментов организма. У животных усвояемость пищевых материалов варьирует от 12-20% до 75%. Ассимилированная организмом пища вместе с запасом в ней энергии расходуется двояким образом. Большая часть энергии используется на поддержание рабочих процессов в клетках, а продукты расщепления подлежат удалению из организма в составе экскрементов (мочи, пота, выделений различных желез) и углекислого газа, образующего при дыхании. Энергетические затраты на поддержание всех метаболических процессов условно называют тратой на дыхание, так как общие их масштабы можно оценить, учитывая выделение СО2 организмом. Меньшая часть усвоенной пищи трансформируется в ткани самого организма, т.е. идет на рост или откладывание запасных питательных веществ, увеличение массы тела. Эти отношения можно выразить формулой: Р=П+Д+Н, где :

Р – рацион консумента, т.е. количество съедаемой пищи за определенный период времени; П – продукция, т.е. траты на рост; Д – траты на дыхание, т.е. поддержание обмена веществ за тот же период и Н – энергия не усвоенной пищи, выделенной в виде экскрементов.

Передача энергии в химических реакциях в организме происходит согласно второму закону термодинамики, с потерей части ее в виде тепла. Особенно велики потери при работе мышечных клеток животных, КПД которых очень низок. В конечном итоге, вся энергия, использованная на метаболизм, переходит в тепловую энергию и рассеивается в окружающем пространстве. Траты на дыхание во много раз больше энергетических затрат на увеличение массы самого организма. Таким образом, основная часть потребляемой с пищей энергии идет у животных на поддержание их жизнедеятельности и лишь сравнительно небольшая – на построение тела, рост и размножение. Иными словами, большая часть энергии при переходе из одного звена пищевой цепи в другое теряется, так как к следующему потребителю может поступить лишь та энергия, которая заключается в массе поедаемого организма. По грубым подсчетам, эти потери составляют около 90% при каждом акте передачи энергии через трофическую цепь. Следовательно, если калорийность растительного организма 1000Дж, при полном поедании его травоядными животными в теле последнего остается из этой порции всего 100, в теле хищника – лишь 10Дж, а если этот хищник будет съеден другим, то на его долю придется только 1Дж, т.е. 0,1%.

Таким образом, запас энергии, накопленной зелеными растениями, в цепях питания стремительно иссякает, Поэтому пищевая цепь заключает всего 4-5 звеньев. Потерянная в цепи питания энергия может быть восполнена только поступлением новых ее порций. Поэтому в экосистемах не6 может быть круговорота энергии, аналогичного круговороту веществ. Экосистема функционирует только за счет направленного потока энергии, постоянного поступления ее извне в виде солнечного излучения или готовых запасов органического вещества.

Закон однонаправленности потока энергии: энергия, которую получает экосистема и которая усваивается продуцентами, рассеивается вместе с их биомассой или необратимо передается консументам первого, второго и др. порядков, а потом – редуцентам. Это сопровождается потерей определенного количества энергии на каждом трофическом уровне в результате процессов, которые сопровождают дыхание.

Закон пирамиды энергии : с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой переходит не более 10% энергии.

Уравновешивание организма с окружающей средой.Любой живой организм для своего существования должен непрерывно воспроизводить свой химический состав, обращаясь для этого к взаимодействию с окружающей средой. Но сбалансированность обмена веществ и энергетических потоков из среды к организму и в обратном направлении характеризует лишь одну сторону взаимодействия между организмом и внешней средой. Другой стороной выступает неуравновешенность. Но какой смысл организму обменивать одни химические соединения на другие того же состава? Для ответа на этот вопрос следует подчеркнуть особенности функционирования живых организмов с точки зрения физических законов.

Хорошо известно, что температура физического тела не может повышаться за счет поглощения от других тел, с такой же или меньшей температурой. Если несколько тел, имеющих различную температуру, изолировать от внешнего мира, то более нагретые станут охлаждаться, а у менее нагретых температура увеличивается. В итоге через некоторое время их температуры сравняются и установятся состояние, которое называется термодинамическим равновесием.

Такое состояние характеризует процессы выравнивания не только температуры, но и электрических потенциалов, концентраций растворов и т.д. И для характеристики такого рода процессов физики и химики используют понятие энтропии. По мере приближения системы к термодинамическому равновесию ее энтропия растет. Если бы произошло невероятное и в системе одинаково нагретых физических тел одно из них нагревалось, забирая теплоту у других, то пришлось бы вести речь о понижении энтропии рассматриваемых системах. Однако ничего подобного обычно не происходит, и это отражено в одном из наиболее общих законов физики, который гласит, что энтропия Вселенной всегда возрастает. Согласно данному закону не только системы неживой природы, но и каждый живой организм рано или поздно должен перейти в состояние термодинамического равновесия, т.е. умереть и быть поглощенным окружающей средой.

Рост энтропии в живом организме означает протекание процессов разупорядочения его структуры и приближения к опасной черте термодинамического равновесия. Поэтому в процессе своего существования каждый организм в борьбе за жизнь ведет борьбу и с энтропией, стремясь по возможности эффективнее предотвращать ее рост, препятствовать наступлению термодинамического равновесия.

В биологии эта мысль была сформулирована в виде «принципа устойчивого не равновесия» Э.С.Бауэром в 30-е годы. Смысл заключается в следующем: все живые системы и только они «не бывают в равновесии и используют за счет своей свободной энергии постоянную работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях». Следовательно, живые организмы остаются живыми лишь до тех пор пока они в состоянии совершать работу против равновесия, пока активно сопротивляются нарастанию внутри себя энтропии. Но за счет чего это достигается? Чтобы не быть поглощенным окружающей средой, организм должен непрерывно этому противодействовать, совершать работу по поддержанию своей внутренней упорядоченности, избавляться от всего того, что приближает его к опасному состоянию термодинамического равновесия. Такая работа выполнима лишь при условии непрерывного обмена веществ между организмом и окружающей средой. В результате обмена происходит нечто большее, чем простое пополнение организмом своих энергетических запасов. Ведь поглощение энергии как таковой из окружающей среды вовсе не способствовало бы увеличению упорядоченности внутри организма. Поэтому процесс обмена веществ необходимо рассматривать и с иной стороны.

В пище живых организмов, поступающей из окружающей среды и спасающей их от смерти, содержится «драгоценное нечто» (Э.Шредингер), представляющей собой не только и не столько энергию, сколько «упорядоченность» или точнее, «отрицательную энтропию», которая необходима организму для борьбы с ростом энтропии. Организм питается «упорядоченностью» и компенсирует тем самым увеличение раз упорядоченности, производимое им в процессе жизни, оставаясь при этом в состоянии, далеком от равновесия. Итак, с одной стороны, организм

сбалансирован, уравновешен с окружающей средой и без такой уравновешенности его существование невозможно. С другой стороны – организм может существовать лишь при условии непрерывного поддержания своего состояния в устойчивом не равновесии. И первое, и второе достигается только в результате непрерывного обмена веществ с окружающей средой. Поэтому обмен веществ и выступает столь важной характеристикой сущности жизни вообще.

В то же время мы подразумеваем гомеостаз – состояние внутреннего динамического равновесия естественной системы, поддерживаемое путем регулярного восстановления основных ее структур, вещественно-энергетического состава, т.е. постоянной функциональной саморегуляции ее компонентов. И такое состояние характерно для всех природных систем – от атома и организма до Галактики.

Биологическая продуктивность экосистем.Скорость, с которой продуценты экосистемы фиксируют солнечную энергию в химических связях синтезируемого органического вещества, определяет продуктивность сообществ.

Основной показатель продуктивности – биомасса организмов, составляющих экосистему. Биомасса – выраженное в единицах массы или энергии количество живого вещества организмов, приходящихся на единицу площади или объема.

Органическую массу, создаваемую растениями за единицу времени, называют первичной продукцией сообществ, ее выражают либо количественно в сырой или сухой массе, либо в энергетических единицах – эквивалентном числе джоулей.

Часть продукции идет на поддержание жизнедеятельности самых растений (траты на дыхание). Оставшаяся часть созданной органической массы характеризует чистую продукцию, которая представляет собой величину прироста растений. Чистая первичная продукция - это энергетический резерв для консументов и редуцентов. Перерабатываясь в цепях, она идет на пополнение массы гетеротрофных организмов.

Прирост за единицу времени массы консументов – это вторичная продукция сообщества. Вторичную продукцию вычисляют отдельно для каждого трофического уровня, так как прирост массы на каждом из них происходит за счет энергии, поступившей с предыдущего уровня. Гетеротрофы, включаясь в трофические цепи, живут в конечном итоге за счет чистой первичной продукции сообщества. Трофические цепи, которые начинаются с фотосинтезирующих растений, называют цепями выедания или цепями потребления. Цепи, которые начинаются с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных – детритными цепями разложения. Таким образом, поток энергии, входящий в экосистему, разбивается далее как бы на два основных русла, поступая к консументам через живые ткани растений или запасы мертвого органического вещества, источником которого также является фотосинтез.

Правило пирамид.Экосистемы очень разнообразны по относительной скорости создания и расходования, как чистой первичной продукции, так и чистой вторичной продукции на каждом трофическом уровне. Однако всем без исключения экосистемам свойственны определенные количественные соотношения первичной и вторичной продукции, получившие название правила пирамиды продукции: на каждом предыдущем трофическом уровне количество биомассы, создаваемой за единицу времени, больше, чем на последующем. Графически это правило выражается в виде пирамид, суживающих кверху и образованных поставленными друг на друга прямоугольниками равной высоты, длина которых соответствует масштабам продукции на соответствующих трофических уровнях. Пирамиды продукции отражают законы расходования энергии в пищевых цепях.

В большинстве наземных экосистем действует также правило пирамиды биомасс, т.е. суммарная масса растений оказывается больше, чем биомасса фитофагов и травоядных, а масса тех, в свою очередь, превышает массу всех хищников. В тех трофических цепях, где передача энергии происходит в основном через связи хищник-жертва, часто выдерживается правило пирамиды чисел: общее число особей, участвующих в цепях питания, с каждым звеном уменьшается. Это связано с тем, что хищники, как правило, крупнее объектов своего питания и для поддержания биомассы одного хищника нужно несколько или много жертв.

Знание законов продуктивности экосистем, возможность количественного учета потока энергии имеют чрезвычайное практическое значение. Первичная продукция агроценозов и эксплуатация человеком природных сообществ - основной источник запасов пищи для человека. Не менее важна и вторичная продукция – ее получают за счет сельскохозяйственных и промышленных животных, так как животные, белки включают целый ряд незаменимых для людей аминокислот, которых нет в растительной пищи. Точные расчеты потока энергии и масштабов продуктивности экосистем позволяют регулировать в них круговорот веществ таким образом, чтобы добиваться наибольшего выхода выгодной для человека продукции. Кроме того, необходимо хорошо представлять допустимые пределы изъятия растительной и животной биомассы из природных систем, чтобы не подорвать их продуктивность.

Распределение биологической продукции.Важнейшим практическим результатом энергетического подхода к изучению экосистем явилось осуществление исследований по Международной биологической программе, проводимой с 1969 г. в целях изучения биологической продуктивности Земли. Теоретическая возможная скорость создания первичной биологической продукции определяется возможностями фотосинтетического аппарата растений (ФАР). Максимально достигаемый в природе КПД фотосинтеза 10-12% энергии ФАР, что составляет около половины от теоретически возможного. В целом же по земному шару усвоение растениями солнечной энергии не превышает 0,1%, так как фотосинтетическая активность растений ограничивается множеством факторов. Мировое распределение первичной биологической продукции крайне неравномерно. Самый большой абсолютный прирост растительной массы достигает в среднем 25 г в день в очень благоприятных условиях, например в эстуариях рек и в лиманах аридных районов, при высокой обеспеченности растений водой, светом и минеральным питанием. На больших площадях продуктивность автотрофов не превышает 0,1 г/м. Таковы жаркие пустыни, где жизнь лимитируется недостатком воды, полярные пустыни, где нехватка тепла, и обширные внутренние пространства океанов с крайним дефицитом питательных веществ. Общая годовая продукция сухого органического вещества на Землесоставляет150-200 млрд.т. Около трети ее образуется в океанах, около двух третей на суше. Почти вся чистая первичная продукция Земли служит для поддержания жизни всех гетеротрофных организмов. Энергия, недоиспользованная консументами, запасается в их тела, органических осадках водоемов и гумусе почв.

Питание людей обеспечивается в основном сельскохозяйственными культурами, занимающими примерно 10% площади суши (около 1.4 млрд.га). Общий годовой прирост культурных растений составляет около 16% от всей продуктивности суши, большая часть которой приходится на леса. Примерно половина урожая идет непосредственно на питание людей, остальная часть – на корм домашних животных, используется в промышленности, теряется в отбросах. Всего человек потребляет около 0,2% первичной продукции Земли.

Растительная пища обходится для людей энергетически дешевле, чем животная. Сельскохозяйственные площади при рациональном использовании и распределении продукции могли бы обеспечить растительной пищей примерно вдвое большее население Земли, чем существующее. Однако сельскохозяйственное производство нуждается в большой затрате труда и капиталовложений. Особенно трудно обеспечивать население вторичной продукцией. В рацион человека должно входить не менее 30 г белков в день. Имеющиеся на Земле ресурсы, включая продукцию животноводства и результаты промысла на суше и в океане, могут обеспечивать ежегодно лишь 50% потребностей современного человечества.

Существующие ограничения, накладываемые масштабами вторичной продуктивности, усиливаются несовершенством социальных систем распределения. Большая часть населения Земли находится, таким образом, в состоянии хронического белкового голодания, а значительная часть людей страдает также и от общего недоедания. Таким образом, увеличение биологической продуктивности экосистем, и особенно вторичной продукцией, является одной из основных задач, стоящих перед человечеством.

Основные принципы функционирования природных экосистем. 1 принцип – круговорот веществ в природе : он обусловлен синтезом и распадом органических веществ в экосистеме ( основа – фотосинтез).

2 принцип – экосистема существует за счет не загрязняющей среды и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.

3 принцип –при переходе на более высокий трофический уровень происходит снижение биомассы, т.е. чем больше биомасса популяции, тем ниже должен быть ее трофический уровень.

Классификация экосистем.1. Естественные экосистемы, которые получают только энергию Солнца – открытые океаны, горные леса и глубокие озера. Они занимают до 70% земной поверхности и имеют низкую продуктивность. 2- естественные э., которые получают энергию Солнца и других природных источников энергии (э. ветра, дождя, приливов, прибоя, течений). 3- искусственные э., которые существуют благодаря энергии Солнца. Это индустриальные городские э., урбанистические экосистемы. 4- э.. которые получают энергию от Солнца и от человека ( агроэкосистемы ).

. Агроэкосистемы.Агроэкосистемы (сельскохозяйственные экосистемы), создаваемые человеком для получения высокой чистой продукции автотрофов (урожая). Обычно агроэкосистемы включают совокупность организмов,обитающих на землях сельхозпользования. Характерной особенностью АЭ являются малая экологическая надежность, но высокая урожайность одного или нескольких видов или сортов культивируемых организмов. АЭ отличаются от природных рядом особенностей. 1 - в них резко снижено разнообразие организмов. На полях обычно культивируется один или немного видов растений, в связи, с чем резко обедняется и животное население, и состав микроорганизмов в биоценозе. Выпас животных также сильно упрощает видовую структуру пастбищных сообществ. Видовое разнообразие разводимых человеком животных ничтожно мало по сравнению с природными. 2 - виды, культивируемые человеком, поддерживаются искусственным отбором в состоянии, далеком от первоначального, и не могут выдерживать борьбу за существование с дикими видами без помощи человека. 3 - агроэкосистемы получают дополнительный поток энергии, кроме солнечной, благодаря деятельности людей, животных и механизмов, обеспечивающих необходимые условия роста культивируемых видов. Чистая первичная продукция (урожай) удаляется из экосистемы и не поступает в цепи питания. Частичное использование ее вредителями представляет нежелательное явление и всячески пересекается деятельностью человека.

В своей практической деятельности человек, создавая некоторым животным и растительным формам благоприятные условия, как правило, за счет других форм, достиг значительных успехов в повышении продуктивности агроценозов. Но этим успехам обычно сопутствуют некоторые отрицательные моменты: обедняется многообразие природных экологических сообществ, они вытесняются неустойчивыми, хотя и более продуктивными, упрощенными агроэкосистемами, требующими значительных капиталовложений (удобрения, химическая защита от вредителей, машинная обработка почвы, борьба с эрозией и т.д.). В настоящее время пахотными землями и пастбищами занять свыше 30% суши, и деятельность людей по поддержанию этих систем превращается в глобальный экологический фактор.

Условия, которым в идеале должны соответствовать поля сельскохозяйственных культур, - быть высокопродуктивными и вместе с тем стабильными - с экологической точки зрения несовместимы. В природных экосистемах первичная продукция растений потребляется в многочисленных цепях питания и вновь возвращается в виде минеральных солей и углекислого газа в систему биологического круговорота. Ограждая урожай от его природных потребителей, отчуждая его и заменяя естественный спад органическими и минеральными удобрениями, мы обрываем множество цепей питания и дисбалансируем сообщество. По существу все усилия по созданию высокой чистой продукции отдельных культур в пользу человека есть борьба «против природы», которая требует большой затраты труда и материальных средств. Упрощение видового состава агроценозов приводит к существенным нарушениям сложившихся на протяжении длительного и сложного пути эволюционного развития механизмов саморегуляции. В агроценозах чаще всего происходит «экологические взрывы» - чрезмерное увеличение численности отдельных видов. Примеры этому: распространение корневой тли филлоксеры уничтожило1 млн га виноградников Франции, патогенный грибок фитофтора – вредитель картофеля. Колорадский жук с 1895 г. распространился из Северной Америки по всему миру.

Подавление численности вредителей химическими средствами, кроме загрязнении среды и включения ядов в цепи питания, часто вызывает так называемый «бумеранг – эффект»: вслед за подавлением численности вредителей вскоре возникает новая, еще большая ее вспышка.

Экологические проблемы современности связаны с тем, что человечество нарушает принципы функционирования экосистем : не происходит полного возвращения биогенов в экосистему; используется энергия топлива, приводящая к загрязнению окружающей среды; человечество в основном относится к третьему трофическому уровню и его численность не должна быть чрезвычайно высокой.

С экологических позиций крайне опасно упрощать природное окружение человека, превращая весь ландшафт в агрохозяйственный. Основная стратегия по созданию высокопродуктивного и устойчивого ландшафта должна заключаться в сохранении и умножении его многообразия. Наряду с поддержанием высокопродуктивных полей следует особенно заботиться о сохранении как можно более многообразных, заповедных, не подвергающих усиленному антропогенному воздействию участников масштаба, с богатым видовым разнообразием, которые могли быть источником видов для восстановления сообществ. Эксплуатация ценных для человека природных экосистем не должна превышать их способности к самовосстановлению. Современные экологические исследования подтверждают положение о том, что охрана природы неразрывно связана с проблемой сохранения многообразия органических форм. Поэтому требует пересмотра сложившееся представление о том, что природа представлена полезными и бесполезными, ценными и вредными видами. Любая форма жизни является необходимым звеном в общей цепи, связывающей все живое на планете.

 

 

Московский государственный университет







Дата добавления: 2015-06-15; просмотров: 505. Нарушение авторских прав


Рекомендуемые страницы:


Studopedia.info - Студопедия - 2014-2019 год . (0.009 сек.) русская версия | украинская версия