Экосистема

Движущей силой  в любой материальной системе  служит энергия.

В экосистемы она  поступает главным образом от Солнца. Растения за счет содержащегося  в них пигмента хлорофилла улавливают энергию излучения Солнца и используют ее для синтеза основы любого органического вещества - глюкозы C6H12O6.

Кинетическая  энергия солнечного излучения преобразуется таким образом в потенциальную энергию, запасенную глюкозой.

Из глюкозы  вместе с получаемыми из почвы  минеральными элементами питания - биогенами - образуются все ткани растительного мира - белки, углеводы, жиры, липиды, ДНК, РНК, то есть органическое вещество планеты.

Кроме растений продуцировать органическое вещество могут некоторые бактерии. Они создают свои ткани, запасая в них, как и растения, потенциальную энергию из углекислого газа без участия солнечной энергии. Вместо нее они используют энергию, которая образуется при окислении неорганических соединений, например, аммиака, железа и особенно серы (в глубоких океанических впадинах, куда не проникает солнечный свет, но где в изобилии скапливается сероводород, обнаружены уникальные экосистемы). Это так называемая энергия химического синтеза, поэтому организмы называются хемосинтетиками.

Таким образом, растения и хемосинтетики создают органическое вещество из неорганических составляющих с помощью энергии окружающей среды. Их называют продуцентами или автотрофами. Высвобождение запасенной продуцентами потенциальной энергии обеспечивает существование всех остальных видов живого на планете.

Виды, потребляющие созданную продуцентами органику как источник вещества и энергии для своей жизнедеятельности, называются консументами или гетеротрофами.

Консументы - это самые разнообразные организмы (от микроорганизмов до синих китов): простейшие, насекомые, пресмыкающиеся, рыбы, птицы и, наконец, млекопитающие, включая человека.

Консументы, в свою очередь, подразделяются на ряд подгрупп в соответствии с различиями в источниках их питания.

Первичными консументами или консументами первого порядка - это животные, питающиеся непосредственно продуцентами. Их самих употребляют в пищу вторичные консументы. Например, кролик, питающийся морковкой, - это консумент первого порядка, а лиса, охотящаяся за кроликом, - консумент второго порядка. Некоторые виды живых организмов соответствуют нескольким таким уровням.

Например, когда  человек ест овощи - он консумент  первого порядка, говядину - консумент  второго порядка, а употребляя в  пищу хищную рыбу, выступает в роли консумента третьего порядка.

Первичные консументы, питающиеся только растениями, называются растительноядными или фитофагами.

Консументы второго и более высоких порядков - плотоядные. Виды, употребляющие в пищу как растения, так и животных, относятся к всеядным, например, человек.

Мертвые растительные и животные остатки, например опавшие листья, трупы животных, продукты систем выделения, называются детритом.

Это органика!

Существует множество  организмов, специализирующихся на питании  детритом. Они называются детритофагами. Примером могут служить грифы, шакалы, черви, раки, термиты, муравьи и т.п. Как и в случае обычных консументов, различают первичных детритофагов, питающихся непосредственно детритом, вторичных и т. п.

Наконец, значительная часть детрита в экосистеме, в  частности опавшие листья, валежная древесина, в своем исходном виде не поедается животными, а гниет и разлагается в процессе питания ими грибов и бактерий.

Поскольку роль грибов и бактерий столь специфична, их обычно выделяют в особую группу детритофагов и называют редуцентами.

Редуценты служат на Земле санитарами и замыкают биогеохимический круговорот веществ, разлагая органику на исходные неорганические составляющие - углекислый газ и воду.

Таким образом, несмотря на многообразие экосистем, все  они обладают структурным сходством.

В каждой из них  можно выделить фотосинтезирующие растения - продуценты, различные уровни консументов, детритофагов и редуцентов. Они и составляют биотическую структуру экосистем.

Самая крупная  экосистема - это биосфера, включающая все экосистемы Земли, которые связаны через атмосферу и мировой океан.

В состав экосистемы (рис.) входят уже рассмотренные функциональные группы организмов (продуценты, консументы, редуценты; вместе они объединяются понятием «биота»), факторы абиотической среды (ресурсы и условия) и детрит - мертвое органическое вещество, временно исключенное из биологического круговорота.

Время сохранения детрита может быть коротким (трупы  и экскременты животных перерабатываются личинками мух за несколько недель, листья в лесу за несколько месяцев, стволы деревьев - за несколько лет) или очень долгим (гумус, сапропель, торф). Главным хранителем детрита в экосистеме иммнется почва. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. 2 Энергия в экосистеме. Пищевые цепи

Напомним, что  экосистема - это совокупность живых  организмов, обменивающихся непрерывно энергией, веществом и информацией друг с другом и с окружающей средой. Рассмотрим сначала процесс обмена энергией.

Энергию определяют, как способность производить работу. Свойства энергии описываются законами термодинамики.

Первый закон (начало) термодинамики или закон сохранения энергии утверждает, что энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается заново.

Второй закон (начало) термодинамики или закон  энтропии утверждает, что в замкнутой  системе энтропия может только возрастать. Применительно к энергии в экосистемах удобна следующая формулировка: процессы, связанные с превращениями энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную, то есть деградирует. Мера количества энергии, которая становится недоступной для использования, или иначе мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии, есть энтропия. Чем выше упорядоченность системы, тем меньше ее энтропия.

Таким образом, любая живая система, в том числе и экосистема, поддерживает свою жизнедеятельность благодаря,

во-первых, наличию  в окружающей среде в избытке  даровой энергии (энергия Солнца);

во вторых, способности  за счет устройства составляющих ее компонентов  эту энергию улавливать и концентрировать, а использовав - рассеивать в окружающую среду.

Следовательно, сначала улавливание, а затем  концентрирование энергии с переходом от одного трофического уровня к другому обеспечивает повышение упорядоченности, организации живой системы, то есть уменьшение ее энтропии. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. 4 Биотический компонент экосистем

Организмы в  экосистеме связаны общностью энергии  и питательных веществ. Всю экосистему можно уподобить единому механизму, потребляющему энергию и питательные вещества для совершения работы. Питательные вещества первоначально происходят из абиотического компонента системы, в который, в конце концов, и возвращаются либо в качестве отходов жизнедеятельности, либо после гибели и разрушения организмов.

Таким образом, в экосистеме происходит круговорот питательных веществ, в котором участвуют и живой и неживой компоненты. Эти круговороты называются биогеохимическими циклами.

Жизнь на Земле  существует за счет солнечной энергии, которая через растения как бы передается всем организмам, создающим пищевую или трофичскую цепь: от продуцентов к консументам, и так четыре-шесть раз с одного трофического уровня на другой.

Движущей силой  этих круговоротов служит, в конечном счете, энергия Солнца. Фотосинтезирующие  организмы непосредственно используют энергию солнечного света и затем передают ее другим представителям биотического компонента. В итоге создается поток энергии и питательных веществ через экосистему. Необходимо еще отметить, что климатические факторы абиотического, компонента, такие, как температура, движение атмосферы, испарение и осадки, тоже регулируются поступлением солнечной энергии.

Энергия может  существовать в виде различных взаимопревращаемых форм, таких, как механическая, химическая, тепловая и электрическая энергия. Переход одной формы в другую называется преобразованием энергии.

Получается, все  живые организмы - это преобразователи  энергии, и каждый раз, когда происходит превращение энергии, часть ее теряется в виде тепла. В конце концов, вся  энергия, поступающая в биотический компонент экосистемы, рассеивается в виде тепла. Изучение потока энергии через экосистемы называется энергетикой экосистемы.

Фактически живые  организмы не используют тепло, как  источник энергии для совершения работы - они используют свет и химическую энергию.

Изучение потока энергии через экосистемы называется энергетикой экосистем. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.5 Классы экосистем  РБ

По первичной  биологической продукции экосистемы РБ можно разделить на три класса:

1) Экосистемы  высокой биологической продукции (1-2 кг/м2 в год). Это липово-дубовые леса, прибрежные заросли рогоза или тростника на озере, посевы кукурузы и многолетних трав, если используются орошение и высокие дозы минеральных удобрений.

2) Экосистемы  умеренной биологической продукции  (0,25-1 кг/м2 в год). Преобладающая часть сельскохозяйственных посевов, сосновые и березовые леса, сенокосные луга и степи, заросшие водными растениями озера.

3) Экосистемы  низкой биологической продукции  (менее 0,25 кг/м2 в год). Это вытоптанные  скотом степные пастбища с низким и редким травостоем, горные степи, которые развиваются на почвах мощностью не более 5 см и состоят из растений камнелюбов, покрывающих поверхность субстрата на 20-40%.

Средняя биологическая  продукция экосистем Земли не превышает 0,3 кг/м2 в год, так как на планете преобладают низкопродуктивные экосистемы пустынь и океанов.

От биологической  продукции отличают урожай (количество органического вещества, которое  имеет хозяйственную ценность). Например, в урожай луга не входит накопленная  за год масса корней и надземная масса, расположенная ниже линии скашивания или скусывания травы пасущимися животными.

Биомасса - это запас (количество) живого органического вещества (растений, животных, грибов, бактерий), «капитал» экосистемы (в отличие от биологической продукции - «прибыли»).

Биомасса разделяется  на - фитомассу (массу живых растений), зоомассу (массу животных), микробную массу.

Поскольку длительность жизни разных организмов различна, то биомасса может быть больше годичной продукции (в лесах-в 50 раз), равна ей (как сообществах однолетних культурных растений) или меньше (в водных экосистемах, где преобладают краткоживущие организмы планктона, дающие несколько поколений за год). Эти закономерности соотношения биологической продукции и биомассы водных экосистем ярко проявляются на глобальном уровне. Первичная биологическая продукция мирового океана составляет 33% всей биологической продукции биосферы, но биомасса фитопланктона составляет менее 1% всей биомассы растений.

Обычно биомасса растений больше биомассы животных, хотя из этого правила есть исключения. Например, в водоемах биомасса фитопланктона может быть меньше биомассы зоопланктона, так как продолжительность жизни микроскопических водорослей в несколько раз меньше, чем мелких ракообразных. Однако биомасса нектона (рыб) уже меньше, чем биомасса зоопланктона.

Различают биомассу надземной и подземной частей экосистемы. Как правило, подземная  биомасса превышает надземную, причем у луговых сообществ в 3-10 раз, у степных - в 10-15, у пустынных - в 50-100 раз. В агроценозах надземная и подземная биомассы могут быть примерно равны, а в лесах надземная биомасса превышает подземную.

Соотношение биомассы организмов разных трофических уровней  в экосистеме (а также численности  организмов или величины энергии, которая накоплена в биомассе) показывается экологическими пирамидами.