Биогеохимический круговорот веществ
Детритофаги и редуценты по типу питания выделяют в особые группы организмов – сапрофаги (питаются мертвыми органическими останками животных) и сапрофиты (питаются остатками растений и животных).
Взаимосвязи организмов в экосистемах весьма многообразны. Наибольшее значение имеют пищевые или трофические взаимосвязи: один организм поедается другим, тот третьим и т.д. Ряд таких звеньев называется пищевой или трофической цепью.
Основу любой пищевой цепи составляют автотрофные организмы, или продуценты – преимущественно зеленые растения. Следующие звенья в цепи питания занимают гетеротрофные организмы – консументы. Начиная со звена продуцентов, имеются два основных пути использования энергии. Во-первых, она используется травоядными животными (фитофагами), во-вторых, ее потребляют сапрофаги в виде уже отмерших тканей (например, при разложении прошлогодней травы). Сапрофаги получают необходимую энергию, разлагая мертвое органическое вещество.
В соответствии с этим существует два вида пищевых цепей: цепи поедания и цепи разложения. Пищевые сети в микробных сообществах отличаются тем, что бактерии, как правило, не поедают друг друга, а потребляют продукты жизнедеятельности своих соседей.
Большая часть энергии, содержащейся в пище, расходуется животными на различные процессы жизнедеятельности, превращаясь при этом в тепло и рассеиваясь. Только 5-10% энергии расходуется на построение тела животного, т.е. его биомассы.
Биомасса растений составляет первый трофический уровень, биомасса 2-го трофического уровня (фитофаги) в 20-50 раз меньше, поскольку растительноядные съедают около 10% биомассы растений, из которых на дыхание и с экскрементами теряется 90% энергии. Биомасса плотоядных, по тем же причинам, в 10 и более раз меньше, чем растительноядных (правило 10%).
Соотношение между продуцентами, консументами и редуцентами можно представить в виде пирамиды. Уровень экологической пирамиды составляет звено пищевой цепи. Основанием экологической пирамиды служит первый трофический уровень – продуценты. Без них экосистема съела бы сама себя и прекратила бы свое существование. В наземных экосистемах с повышением трофического уровня запас биомассы уменьшается, а в некоторых водных экосистемах запас биомассы увеличивается при переходе от продуцентов (водорослей) к консументам. Поэтому в водных экосистемах экологическая пирамида оказывается перевернутой, т.к. биомасса консументов выше, чем продуцентов. Перевернутая пирамида наблюдается не во все сезоны года. Летом, в период массового развития планктона, его биомасса может быть выше биомассы 2-го и 3-го трофических уровней.
|
|
|
а) экологическая пирамида наземных экосистем б) водных экосистем
В ряде глубоководных и подземных экосистем практически нет звена продуцентов – их продукция поступает от поверхностных экосистем.
Количество звеньев (трофических уровней) в наземных экосистемах может достигать четырех(растение – фитофаг - мелкий хищник - крупный хищник), в водных – шести(фитопланктон – растительный зоопланктон – плотоядный зоопланктон – мелкие рыбы – средние рыбы – крупные рыбы).
Производительность экосистемы измеряется массой органического вещества, созданного экосистемой за единицу времени на единицу площади, и называется биологической продуктивностью (т/км2 в год).
Экосистема живет и развивается как единое целое. В природе менее устойчивые экосистемы со временем сменяются более устойчивыми комплексами. Их смена определяется тремя факторами:
1) упорядоченным процессом развития экосистемы - установлением в ней стабильных взаимоотношений между видами;
2) изменением климатических условий;
3) изменением физической среды под влиянием жизнедеятельности организмов, составляющих экосистему.
Последовательная смена одних экосистем другими на определенном участке земной поверхности под воздействием природных или антропогенных факторов называется сукцессией. Сукцессии подразделяют : первичные и вторичные.
Первичные сукцессии развиваются на лишенном жизни месте, где условия существования поначалу не являются благоприятными. Примером первичной сукцессии является зарастание песчаных дюн или лавовых потоков.
Вторичные сукцессии происходят на участке, уже занятом хорошо развитым сообществом (под влиянием внутренних факторов - жизнедеятельности организмов), или освободившемся после разрушения сообщества под воздействием внешних причин (стихийных бедствий - пожаров, наводнений или в результате деятельности человека). Примером вторичной сукцессии под влиянием внутренних факторов может служить процесс зарастания озера (под воздействием жизнедеятельности населяющих его организмов озеро медленно наполняется мертвым органическим веществом, постепенно в озере уменьшается глубина, и в конце концов оно превращается в болото, а затем и в сушу). Сукцессию можно наблюдать и на городских улицах, например, мхи, лишайники и сорняки заселяют трещины на тротуарах. Сукцессия завершается стадией, когда все виды экосистемы сохраняют относительно постоянную численность и дальнейшей смены ее состава не происходит. Такое равновесное состояние называется климаксом, а экосистема – климаксовой.
Внезапное резкое увеличение численности одних видов происходит за счет гибели других, при этом возникают экологические нарушения. Экологические нарушения возникают при вторжении в экосистему новых видов (кролик в Австралии) или при непродуманном воздействии человека на природу (сброс биогенов в водоем).
На формирование экосистем влияют абиотические и биотические факторы. К абиотическим факторам в первую очередь относят факторы неорганической природы: свет, температура, влажность, давление, агрегатное состояние самой среды, химический состав, концентрация веществ в ней, а также физические поля, радиация, суточные и сезонные изменения в природе. Биотические факторы – это прямые или опосредованные воздействия других организмов, населяющих среду обитания данного организма. Все биотические факторы обусловлены внутривидовыми и межвидовыми взаимодействиями. К биотическим факторам среды относятся и питательные вещества, т.е. элементы или их соединения, необходимые для жизнедеятельности организмов, их роста и размножения. Элементы, постоянно присутствующие в живых организмах и выполняющие там определенные функции, называются биогенными элементами. Часть их них требуется в больших количествах и входит в организм в больших количествах – это макробиогенные элементы. Элементы, требующиеся в небольшом количестве и входящие в организм в небольших концентрациях – микробиогенные.
Биотические факторы включают определенные типы отношений между живыми организмами:
1.Нейтрализм, при котором совместно обитающие на одной территории популяции не влияют друг на друга. При нейтрализме особи разных видов не связаны друг с другом непосредственно, например, белки и лоси в одном лесу не контактируют друг с другом.
2.Симбиоз - форма взаимоотношений, при котором оба вида или один из них извлекает пользу от другого. Положительные симбиотические взаимоотношения представлены в природе самыми разнообразными формами.
Тип взаимоотношений, при котором один из двух совместно обитающих видов извлекает пользу из совместного существования, не причиняя вреда другому виду, называется комменсализмом. Например, в открытом океане крупных морских животных - акул, дельфинов, черепах - часто сопровождают небольшие рыбы-лоцманы. Лоцманы кормятся остатками пищи животных, которых сопровождают, а также их паразитами. Близость к крупным хищникам защищает лоцманов от нападения. Такие отношения межу видами принято называть нахлебничеством. Нахлебничество принимает разные формы. Например, гиены подбирают остатки недоеденной львами добычи.
Зачастую тела других организмов или их местообитания служат убежищем. Эта форма взаимоотношений получила название квартирантства. Например, мальки рыб прячутся под зонтиками крупных медуз, где находятся под защитой щупалец.
Следующим видом симбиоза является протокооперация - когда совместное существование выгодно обоим видам, но необязательно для них (сосуществование актинии и рака-отшельника).
Наиболее сильная взаимосвязь между организмами возникает при мутуализме, когда оба вида не только извлекают пользу из совместного существования, но и не могут жить самостоятельно. Примером мутуализма являются отношения микроорганизмов, обитающих в желудке жвачных копытных животных. Жвачные питаются растительной пищей, однако у них нет ферментов, расщепляющих целлюлозу. Микроорганизмы вырабатывают такие ферменты, переводя целлюлозу в простые сахара, при этом получают в желудке пищу и условия для размножения. Без микроорганизмов-симбионтов крупные животные могут погибнуть от голода.
3.Антибиоз, при котором обе взаимодействующие популяции или одна из них испытывают отрицательное влияние.
Хищничество - при котором представители одного вида ловят и поедают представителей другого вида. Частным случаем хищничества служит каннибализм - поедание особей своего вида, чаще всего молоди.
Другим видом антибиоза является паразитизм - когда один из видов использует другой в качестве источника пищи, места обитания, защиты от врагов и т.д. Переход к паразитизму резко увеличивает возможность вида выжить в борьбе за существование. К числу постоянных паразитов относятся простейшие (дизентерийная амеба), плоские черви (сосальщики, цепни), круглые черви (аскарида, трихина и многие другие), членистоногие (вши, блохи, чесоточный клещ). Паразиты могут поселяться в крови, в тканях и полостях тела. Поскольку при постоянном паразитизме организм хозяина - единственное местообитание для паразита, с гибелью хозяина погибает и паразит. У человека могут паразитировать около 500 видов, практически во всех частях тела.
Когда у двух близких видов наблюдаются сходные потребности (в пище, местах обитания и т.п.) возникает еще один биотический фактор - конкуренция. Различают три основных типа конкуренции: взаимное конкурентное подавление, конкуренция из-за ресурсов и аменсализм - когда одна из популяций подавляет другую.
Животные в экосистемах редко конкурируют, поскольку разные виды адаптированы к питанию неодинаковой пищей и в разных местах или в разное время, то есть занимают различные экологические ниши.
В биосфере протекают два взаимосвязанных процесса преобразования веществ в природе — геологический (большой) и биологический (малый) кругообороты химических веществ.
Геологический круговорот — обмен химических элементов между океанами и сушей в результате разрушения изверженных горных пород, растворения их в воде, физико-химических превращений и образования минералов при испарении воды от энергии Солнца.
С появлением живого начала на базе геологического возникает биологический круговорот. Под биологическим круговоротом понимается поступление химических элементов из почвы и атмосферы в живые организмы, превращение в них поступающих элементов в новые сложные соединения с последующим возвращением их в почву, атмосферу и воду в процессе жизнедеятельности. .
Все организмы неодинаковы с точки зрения накопления ими веществ и энергии. Растения используют солнечную энергию, осуществляя процесс фотосинтеза, а животные потребляют органические вещества, созданные растениями - фотосинтетиками. Поэтому все живые организмы по способу питания можно разделить на два класса: автотрофные и гетеротрофные организмы.Перенос вещества и энергии в биологическом обороте осуществляется в основном по трофическим (пищевым) цепям, сетям и пирамидам. Первое звено в них составляют автотрофные организмы или продуценты — организмы, образующие органическое вещество своего тела из неорганических веществ диоксида углерода и воды — посредством процессов фотосинтеза и хемосинтеза (синтез органических веществ бактериями, использующими в качестве источников энергии окисление некоторых неорганических веществ).