- Lektsia - бесплатные рефераты, доклады, курсовые работы, контрольные и дипломы для студентов - https://lektsia.info -

Роль живых организмов в формировании биосферы



Под охраной природы принято понимать систему мер, на­правленных на поддержание рационального взаимодействия между деятельностью человека и окружающей природной сре­ды. Эта система мер должна обеспечивать сохранение и восста­новление природных богатств, рациональное использование природных ресурсов, а также предупреждать прямое и косвен­ное вредное влияние промышленного производства на природу и здоровье человека. Одновременно ставится задача обеспечить сохранение равновесия между развитием производства и устой­чивостью окружающей природной среды в интересах человече­ства. Для этого необходимо комплексное изучение процессов, происходящих в окружающей природе, и организация всех ви­дов производств с учетом выявленных закономерностей. Науч­ной Основой для исследований природных объектов и комплекс­ного подхода при организации современного производства явля­ется учение о биосфере Земли.

Термин «биосфера» ввел в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс; основоположник современного учения о биосфере — русский ученый В. И. Вернадский. В представлении В. И. Вер­надского биосфера охватывает то пространство, в котором жи­вое вещество действует как геологическая сила, формирующая облик Земли;

В современном представлении биосфера—это Сложная ди­намическая большая система, состоящая из многих компонен­тов живой и неживой природы, целостность которой поддержи­вается в результате постоянно действующего биологического круговорота веществ.

В основе учения В, И. Вернадского лежат представления О Планетарной геохимической роли живого вещества в образо­вании биосферы, как продукта длительного превращения веще­ства и энергии в ходе геологического развития Земли. Живое Вещество — это совокупность живых организмов, существо­вавших или существующих в определенный отрезок времени И являющихся мощным геологическим фактором. В отличие от живых существ, изучаемых биологией, живое вещество как биогеохимический фактор характеризуется элементарным соста­вом, массой и энергией. Оно аккумулирует и трансформирует солнечную энергию и вовлекает неорганическую материю в не­прерывный круговорот. Через живое вещество многократно про­шли атомы почти всех химических элементов. В конечном итоге Живое вещество определило состав атмосферы, гидросферы, почв и в значительной степени осадочных пород нашей планеты.

В.И. Вернадский указывал, что живое вещество аккумулирует энергию космоса, трансформирует ее в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую и пр.) и в непрерывном обмене веществ с косной материей пла­неты обеспечивает образование живого вещества, которое не только замещает отмирающие его массы, но и привносит новые качества, определяя тем самым процесс эволюции органическо­го мира.

В представлений В. И. Вернадского биосфера включает в се­бя четыре основных компонента:

живое вещество — совокупность всех живых организмов;

биогенное вещество, т. е. продукты, образовавшиеся в ре­зультате жизнедеятельности различных организмов (каменный уголь, битумы, торф, лесная подстилка, почвенный гумус и ip.);

биокосное вещество — преобразованное организмами неорганическое вещество (например, приземная атмосфера, некоторые осадочные породы и т.д.);

косное вещество — горные породы в основном магматическо­го, неорганического происхождения, слагающие земную кору.

Любые виды растений, животных и микроорганизмов, взаимодействуя с окружающей средой, обеспечивают свое существо­вание не как сумма особей, а как единое функциональное целое, представляющее собой популяцию (популяции сосны, кома­ра и т.д.).

По С.С.Шварцу, популяция — это элементарная группи­ровка организмов определенного вида, обладающая всеми не­обходимыми условиями для поддержания своей численности необозримо длительное время и в постоянно изменяющихся условиях среды. Иначе говоря, популяция — это форма сущест­вования вида, та надорганизменная система, которая делает вид потенциально (но не реально) бессмертным. Это свидетель­ствует о том, что приспособительные возможности популяции гораздо выше, чем у слагающих ее отдельных организмов.

Популяция как элементарная экологическая единица обла­дает определенной структурой, которая характеризуется состав­ляющими ее особями и их распределением в пространстве. Популяциям свойственны рост, развитие, и способность поддер­живать существование в постоянно меняющихся условиях.

В природе популяции растений, животных и микроорганиз­мов составляют системы более высокого ранга — сообщества живых организмов, или, как их принято называть, биоценозы. Биоценоз — это организованная группа популяций растений, животных и микроорганизмов, живущих во взаимодействии в одних и тех же условиях среды. Понятие «биоценоз» было предложено в 1877 г. немецким зоологом К- Мебиусом, который установил, что все члены одного сообщества живых организмов находятся в тесной и постоянной взаимосвязи. Биоценоз являет­ся продуктом естественного отбора, когда его устойчивое существование во времени и пространстве зависит от характера взаимодействия популяций и возможно лишь при обязатель­ном поступлении лучистой энергии Солнца и наличии постоян­ного круговорота веществ.

Иногда для упрощения изучения биоценоза его условно раз­деляют на отдельные компоненты: фитоценоз — раститель­ность, зооценоз — животный мир, микробоценоз — мик­роорганизмы. Такое деление приводит к искусственному выделе­нию отдельных группировок живых организмов, которые само­стоятельно существовать не могут. Не может быть устойчивой система, которая состояла бы только из растений или только из животных. Сообщества и их компоненты необходимо рассмат­ривать как биологическое единство разных типов живых орга­низмов.

Биоценоз не может развиваться сам по себе, вне и незави­симо от среды неорганического мира. В результате в природе складываются определенные относительно устойчивые комп­лексы, совокупности живых и неживых компонентов. Простран­ство с однородными условиями, заселенное сообществом организ­мов (биоценозом), называется биотопом, т.е. биотоп — это место существования, место обитания биоценоза. Поэтому био­ценоз можно рассматривать как исторически сложившийся ком­плекс организмов, характерный для данного конкретного био­топа.

Биоценоз образует с биотопом диалектическое единство, био­логическую макросистему еще более высокого ранга — биогео­ценоз. Термин «биогеоценоз», обозначающий совокупность биоценоза и его местообитания, предложил в 1940 г. В. Н. Су­качев. Термин практически тождествен термину «экосистема», который принадлежит А. Тенсли.

Экологическая система — это система, состоящая из живых и неживых элементов среды, между которыми имеет место обмен веществом, энергией и информацией. Экологиче­ские системы разных рангов могут включать ограниченное или очень большое число компонентов и занимать малые или очень большие площади и объемы; экологическая система Европы, экологическая система страны, экологическая система области, района, зоны действия предприятия и т.д.

Под биогеоценозом понимается элемент биосферы, где на известном протяжении биоценоз (сообщество живых организ­мов) и отвечающий ему биотоп (части атмосферы, литосферы и гидросферы) остаются однородными и тесно связанными между собой в единый комплекс. То есть, под биогеоцено­зом понимается естественный природный комплекс, через который не проходит ни одна существенная биоценотическая, геоморфологическая, гидрологическая, микроклиматическая, ночвенно-геохимическая или какая-либо другая граница. Это однородный по топографическим, микроклиматическим, гидро логическим и биотическим условиям участок биосферы. Поня­тие «экологическая система» не несет в себе этого ограничения и может объединять разные природные комплексы (лес, луг, реку и т.д.). Сам биогеоценоз является элементарной экологи­ческой системой.

Элементарная структурная единица биосферы — биогеоце­ноз— состоит из двух взаимосвязанных составляющих (рис. 3.1):

абиотической (биотоп), включающей абиотические элементы внешней среды, находящиеся во взаимосвязи с живы­ми организмами;

биотической (биоценоз), сообщество живых организ­мов, обитающих в пределах выделенного биотопа (выделенной экологической системы).

Абиотическая составляющая включает в себя компоненты: литосфера, гидросфера и атмосфера.

В литосфере выделяются участок массива горных пород, зем­ной поверхности, которые являются местом обитания живых организмов и входят в состав выделенного биоценоза. Важной характеристикой биотопа является участок земной поверхно­сти с особой структурой и вещественным составом почв (педосферы) в пределах выделенного участка.

К гидросфере относятся поверхностные и подземные воды, находящиеся в пределах биотопа и прямо или косвенно обеспе­чивающие жизнедеятельность живых организмов, а также вода, выпадающая на территории выделенного района в виде осад­ков.

К атмосфере (газовой составляющей) относятся: атмосфер­ный воздух; газы, растворенные в поверхностных и подземныхводах; газовая составляющая почв, а также газы, выделяю­щиеся из горного массива, которые прямо или косвенно влияют на жизнедеятельность живых организмов.

Биотическая составляющая природной среды (биоценоз) включает в себя три компонента: фитоценоз—продуценты (про­изводители) первичной продукции, аккумулирующие энергию Солнца; эоценоз— консументы, производители вторичной про­дукции, использующие для своей жизнедеятельности энергию, заключенную в органическом веществе фитоценоза; микробоце-ноз—редуценты (диструкторы), организмы, живущие за счет энергии мертвого органического вещества и обеспечивающие его разрушение (минерализацию) с получением исходных ми­неральных элементов в виде, удобном для использования расте­ниями для воспроизводства первичной органической продукции.

Все компоненты природной среды (биогеоценоза), его био­тическая и абиотическая составляющие находятся в постоян­ной взаимосвязи и обеспечивают эволюционное развитие друг друга. Состав и свойства литосферы, гидросферы и атмосферы в значительной степени определяют живые организмы. При этом сами живые организмы, обеспечивая жизнедеятельность друг друга, зависят от изменений условий внешней среды. Внешняя среда обеспечивает их энергией и необходимыми пи­тательными веществами.

Таким образом, в целом биосфера заключает в себя следующие уровни жизни: популяцию, биоценоз, биогеоце­ноз. Каждый из этих уровней обладает относительной незави­симостью, что и обеспечивает возможность эволюции макроси­стемы в целом, где эволюционирующей единицей является популяция. При этом элементарной структурной единицей био­сферы служит биогеоценоз, т. е. сообщество организмов в сово­купности с неорганической средой обитания (см. рис. 3.1).

В современных условиях деятельность человека преобразует природные богатства (леса, степи, озера). На смену им прихо­дит посев и посадки культурных растений. Так формируются новые экологические системы — агробиогеоценозы или агроценозы. Агроценозами являются не только сель­скохозяйственные поля, но и полезащитные лесные посадки, па­стбища, лесопосадки, пруды и водохранилища, каналы и осу­шенные болота. В большинстве случаев агробиоценозы по своей структуре характеризуются незначительным количеством видов живых организмов, но высокой их численностью. Хотя в струк­туре и энергетике естественных и искусственных биоценозов есть много специфических черт, принципиальных различий меж­ду ними не существует.

Значительно сложнее дело обстоит с экологическими систе­мами, возникающими в зонах влияния промышленных пред­приятий, городов, плотин и других крупных инженерных соору­жений. Здесь в результате активного воздействия людей на окружающую среду формируются качественно новые экологиче­ские системы, функционирование которых обеспечивается в ре­зультате естественных природных процессов и постоянного воз­действия промышленного предприятия иа абиотическую (нежи' вую) и биотическую (живую) составляющие природы.

 

5.Биотический круговорот веществ в биосфере

Существование биосферы в целом и отдельных ее Частей обеспечивает круговорот веществ и превращение энергии:

Круговорот веществ в биосфере осуществляется в цервуЮ очередь на основании жизнедеятельности большого разнбобра* зия организмов. Каждый организм извлекает из окружающей среды необходимые для своей жизнедеятельности вещества и возвращает неиспользованные. Причем некоторые виды жи« вых организмов потребляют нужные им вещества Непосредст* венно из окружающей среды, другие используют продукты, пе* реработанные и выделенные первыми, третьи — вторыми и так до тех пор, пока вещество вновь не возвращается в природную1 среду в первоначальном состоянии. Отсюда и возникает необхо* димость сосуществования различных организмов (видовое многообразие), способных использовать продукты жизне* деятельности друг друга, т. е. действует практически безотход; ное производство биологической продукции.

Общее число живых организмов и скорость их развития в биоценозе зависят от количества энергии, поступающей в эко­логическую систему, скорости ее передачи Через отдельные элементы системы и от интенсивности циркулйцИй Минеральный веществ. Особенностью этих процессов является то, что пита­тельные вещества (углерод, азот, вода, фосфор и т. Д>) Цирку­лируют между биотопом и биоценозом постоянно, т, е. используй ются бесчисленное-число раз, а энергия, поступающая в эКОло* гическую систему в виде потока солнечной радиации, расходует^ ся Полностью. Согласно закону сохранения И Превращения, энергий, поступающая в экологическую систему, мОЖет перехо* дить из одной формы в другую. Второй фундаментальный прин> цип — любое действие, связанное с преобразованием энергии, не может происходить без ее потери в виде рассеянного в' прост­ранстве Тепла. То есть часть поступающей в экологическою систему энергии терйетсй и не может совершать работу.

Любая экологическая система В Процессе СёОей эволюции стремится к своему равновесному состоянию, когда все ее фн= эические параметры принимают пОСтойНйое значение, & коэффи­циент полезного Действий достигает максимального значении»

Жизнедеятельность любого организма обесйечййаетсй в ре= зультате многосторонних биотических отношений, в которые он вступает с другими организмами. Все организмы Могут быть классифицированы по способу питания и тому трофическо­му уровню, на котором они находятся в общей цепи пита­ния. По способу питания выделяют две группы: автотрофные и гетеротрофные.

Автотрофные обладают способностью создавать органи­ческие вещества из неорганических, используя энергию Солнца или энергию, освобождающуюся при химических реакциях.

Гетеротрофные организмы используют в качестве пищи органическое вещество. При этом в качестве пищи могут ис­пользоваться живые растения или их плоды, мертвые остатки растений и животных. При этом каждый организм в природе в том или ином виде служит источником питания для ряда дру­гих организмов.

В результате последовательного перехода органического ве­щества с одного трофического уровня на другой происходят круговорот вещества и передача энергии в природе (рис. 3.2). При этом органические вещества, переходя с одного трофиче­ского уровня на другой, частично исключаются из круговорота. В результате на Земле происходит накопление органических соединений в виде залежей полезных ископаемых (ТОрф, уголь, нефть, газ, горючие сланцы и др.). Однако Существенно био масса на Земле не накапливается, а удерживается на каком-то определенном уровне, поскольку она постоянно разрушается и вновь создается из одного и того же строительного материа­ла, т.е. в ее пределах протекает беспрерывный круговорот ве­ществ. В табл. 3.1 приводятся данные о скорости воспроизвод­ства биомассы для некоторых природных экологических систем.

В процессе жизнедеятельности организмов в корне преобразо­валась и неживая часть биосферы. В атмосфере появился-сво­бодный кислород, а в ее верхних слоях — озоновый экран; угле­кислота, извлеченная организмами из воздуха и воды, законсер­вировалась в отложениях угля и карбоната кальция.

В результате геологических процессов происходят деформа­ции и разрушение верхней части литосферы. Ранее погребен­ные осадочные породы оказываются вновь на поверхности. В дальнейшем происходит их выветривание, в котором живые организмы также принимают активное участие.

Выделяя углекислоту, органические и минеральные кислоты, они способствуют разрушению горных пород и тем самым уча­ствуют в обеспечении процесса миграции химических элемен­тов.

Общее количество солнечной энергии, ежегодно получаемой Землей, составляет примерно 2-1024 Дж. В процессе фотосинте­за в год образуется около 100 млрд. т органических веществ и аккумулируется 1,9-1021 Дж энергии Солнца. Для процессов фотосинтеза ежегодно вовлекается из атмосферы 170 млрд.т •углекислого газа, разлагается фотохимическим путем около 130 млрд. т воды и выделяется в окружающую среду 115 млрд.т кислорода. Кроме этого, в круговорот веществ вовлекается 2 млрд. т азота, кремния, аммония, железа, кальция и многих других веществ. Всего в биологическом круговороте участвуют более 60 элементов.

Фаза синтеза органического вещества сменяется на после­дующем этапе биологического круговорота фазой его разруше­ния с одновременным рассеиванием в пространстве потенциаль­ной химической энергии (в виде тепловой энергии) В результа­те осуществляется переход органического вещества в газовую, жидкую и твердую формы (минеральные и другие соединения). В процессе этих трех фаз происходит возобновление биологиче­ского круговорота, который поддерживается солнечной энергией и в который вовлекаются практически одни и те же массы ве­ществ и химических элементов.

В процессе геологического круговорота веществ осуществля­ется перенос минеральных соединений с одного места в другое в масштабах всей планеты, а также происходит перенос и изме­нение агрегатного состояния воды (жидкая, твердая — снег, лед; газообразная — лары). Наиболее интенсивно вода циркулирует В парообразном состоянии.

Круговорот воды в биосфере основан на том, что суммарное испарение компенсируется выпадением осадков. При этом из океана испаряется воды больше, чем возвращается с осадками. На суше, наоборот, больше выпадает осадков, но излишек стекает в озера И реки, а оттуда снова в океан.

С появлением живого вещества на основе круговорота воды и растворенных в ней минеральных соединений, т.е. на базе абиотического, геологического возник круговорот органического вещества, или малый биологический круговорот.

В биологическом круговороте наиболее важен процесс транспирации. При поглощении почвенной влаги корнями растения с водой в него поступают растворенные в воде мине­ральные и органические вещества. Процесс транспирации важен также и для регулирования температуры растения, предохра­няя его от перегрева. Благодаря потерям тепла, которые проис­ходят при испарении воды, температура растения понижается. Одновременно этот процесс регулируется самим растением — в жаркую погоду устьица, расположенные на листьях, раскры­ваются шире и этим способствуют усилению испарения и пони­жению температуры, а при более низкой температуре устьица прикрываются, интенсивность испарения уменьшается. Таким образом, транспирации одновременно является и физиологиче­ским и физическим процессом, так как от обычного испарения с неживого вещества она отличается возможностями регулиро­вания самим растением.

Транспирационную способность растения часто оценивают по коэффициенту транспирации, характеризующему объем воды, который необходимо затратить для образования единицы массы сухого вещества растения. Например, для обра­зования 1 т наземной растительной массы пшеницы, т.е. зерна и соломы, расходуется 300—500 м3 воды Расход воды на травепирацию зависит от большого числа факторов: от характера самого растения, условий погоды, на­личия влаги в почве. В сухую жаркую погоду растение нужда­ется в расходовании большого количества воды на транспира-цию.

Корни растений всасывают почвенную влагу с разных глу­бин. Корневая система пшеницы распространяется на глубину до 2,0—2,5 м, корни дуба иногда проникают на глубину до 20 м. Благодаря этому растения способны использовать влагу, зале­гающую на больших глубинах, и меньше зависят от колебаний увлажненности поверхностного слоя почвы.

Испарение с почвы нельзя рассматривать изолированно от транспирации Так, например, под пологом леса с поверхности почвы испаряется мало воды, независимо от ее наличия. Это происходит потому, что солнечная радиация слабо проникает через кроны деревьев. Кроме того, под пологом леса скорость движения воздуха замедляется, и он больше насыщен влагой. В этих условиях основная часть влаги испаряется за счет транспирации.

В круговороте воды наиболее важны те фазы, которые про­исходят в пределах отдельных бассейнов рек и озер. Раститель­ность выполняет важную экранирующую функцию, задерживая часть выпадающей в осадках воды. Этот перехват, который, естественно, бывает максимальным при слабых дождях, может в умеренных широтах достигать до 25% общей суммы осадков.

Часть воды задерживается в почве,-причем тем сильнее, чем значительнее почвенный коллоидальный комплекс (гумус и глина). Та часть воды, которая проникает в почву на глубину 20—30 см, может вновь подняться на ее поверхность по капиллярам и испариться. Таким образом, переход воды с поверхности в атмосферу осуществляется в результате физи­ческого испарения и процесса транспирации. При этом количество воды, транспирируемой рас гениями, увеличивается с улучшением их водоснабжения. Так, одна береза испаряет за день 0,075 м3 воды; бук —0,1 м\ липа — 0,2, а I га леса — 20— 50 м3. 1 га березняка, масса листвы которого составляет 4940 кг, испаряет 47 м-' воды в день, а I га ельника, масса хвои которого 31 тыс. кг. транспирирует 43 м:< воды в день. 1 га пше­ницы за период развития использует 375 мм осадков, а проду­цирует 12,5 т (сухая масса) растительного вещества.

Биологический круговорот в противоположность геологиче­скому требует меньших затрат энергии. На создание органиче­ского вещества затрачивается всего 0,!—0,2% падающей на Землю солнечной энергии (на геологический круговорот — до 50%)- Несмотря на это. энергия, вовлеченная в биологический круговорот, производит огромную работу по созданию на плане­те первичной продукции.

Циркуляцию веществ принято называть биогеохимичес-кими циклами. Основные биогеохимические циклы — кру­говорот кислорода, углерода, воды, азота, фосфора и ряда дру­гих элементов.

В целом каждый круговорот любого химического элемента является частью общего грандиозного круговорота веществ на Земле, т. е. все они тесно связаны между собой различными формами взаимодействия. Основными звеньями биогеохимиче­ских циклов выступают живые организмы, которые и обуслов­ливают интенсивность всех круговоротов и вовлечение в них практически всех элементов земной коры.

Практически весь молекулярный кислород земной атмосфе­ры возник и поддерживается на известном уровне благодаря деятельности зеленых растений. В большом количестве он рас­ходуется организмами в процессе дыхания. Но, кроме того, об­ладая высокой химической активностью, кислород непременно вступает в соединения почти со всеми элементами земной коры. Подсчитано, что весь кислород, содержащийся в атмосфере, проходит через живые организмы (связываясь при дыхании и высвобождаясь при фотосинтезе) за 200 лет, углекислота со­вершает круговорот в обратном направлении за 300 лет, а все воды на Земле разлагаются и воссоздаются путем фотосинтеза и дыхания за 2 млн. лет.

Круговорот и миграцию веществ в биохимических циклах можно рассмотреть на примере круговорота углерода (рис. 3.3). На суше он начинается с фиксации углекислого газа растения ми в процессе фотосинтеза. Диоксид углерода, содержащийся в атмосфере, поглощается растениями и в результате фотосин­теза образуются углеводороды и выделяется кислород

В свою очередь, углеводы являются исходным материалом для формирования растений.

Фиксированный в растении углерод в значительной мере по­требляется животными. Животные при дыхании также выделя­ют углекислый газ. Отжившие растения и животные разлагаются микроорганизмами, в результате чего углерод мертвого органи­ческого вещества окисляется до углекислого газа и снова попа­дает в атмосферу. Подобный круговорот углерода совершается и в океане.

Часть углекислого газа из атмосферы поступает в океан, где он находится в растворенном виде. То есть океан обеспечивает поддержание углекислого газа в атмосфере в определенных пределах. В свою очередь, содержание углерода в океане на определенном уровне обеспечивается за счет накопленных запа­сов карбоната кальция в донных осадках. Наличие этого посто­янно действующего природного процесса в определенной сте­пени регулирует содержание углекислого газа в атмосфере и в водах океана.

Круговорот азота, как и другие биогеохимические цик­лы, охватывает все области биосферы (рис. 3.4). Азот, которого очень много в атмосфере, усваивается растениями лишь после соединения его с водородом или кислородом. В современных ус­ловиях в круговорот азота вмешался человек. Он выращивает на обширных площадях азотофиксирующие бобовые растения или искусственно связывает природный азот. Считается, что сельское хозяйство и промышленность дают почти на 60% боль­ше фиксированного азота, чем его образуется в естественных условиях.

Круговорот фосфора, который является одним из ос­новных элементов, необходимых живым организмам, относи­тельно прост. Основные источники фосфора — изверженные (апатиты) и осадочные (фосфориты) породы. Неорганический фосфор вовлекается в круговорот в результате естественных процессов выщелачивания. Фосфор усваивается живыми орга­низмами, которые при его участии синтезируют ряд органиче­ских соединений и передают его на разные трофические уровни. Закончив свой путь по трофическим цепям, органические фос­фаты разлагаются микробами и превращаются в минеральные ортофосфаты, доступные для зеленых растений. В водоемы фосфаты попадают в результате стока рек, что способствует развитию фитопланктона и живых организмов, расположенных на разных уровнях трофической цепи пресно­водных или морских водоемов. Возвращение минеральных фос­фатов в воду также осуществляется в результате деятельности микроорганизмов. Следует, однако, отметить, что фосфаты, от­ложившиеся на больших глубинах, выключаются из круговоро­та, что необходимо учитывать при составлении баланса данного биогеохимического цикла. Таким образом, происходит только частичное возвращение фосфора, попавшего в океан, обратно на сушу. Этот процесс происходит в результате жизнедеятельности птиц, питающихся рыбой.

Частично фосфор поступает на континент в результате выло­ва рыбы, который ведет человек. Однако количество фосфора, ежегодно поступающего с рыбной продукцией,значительно ни­же его выноса в гидросферу, которое достигает многих миллио­нов гонн в год. Кроме того, человек, внося фосфатные удобре­ния па поля, значительно ускоряет процесс выноса фосфора в водотоки и океан. При этом водоемам наносится экологи­ческий ущерб, так как нарушаются естественные процессы жиз­недеятельности организмов, обитающих в воде.

Поскольку запасы фосфора весьма ограничены, то бесконт­рольное его расходование может привести к ряду отрицатель­ных последствий. Он является основным лимитирующим (рак-тором для автотрофных организмов как водной, так и наземной сред, главным регулятором ряда других биогеохимических кру­говоротов. Так, например, содержание нитратов в воде или кислорода в атмосфере в значительной степени зависит от ин­тенсивности круговорота фосфора в биосфере.

 

 

6.Природные экологические системы

Структура и динамика популяций. Изучение структуры и ди­намики популяций имеет большое практическое значение.

Не зная закономерностей жизнедеятельности популяции. Нельзя обеспечить разработку научно обоснованных экологических, ин­женерных и организационных мероприятий по рациональному использованию и охране природных ресурсов.

Популяционный подход к изучению жизнедеятельности орга­низмов основан на их способности регулировать свою числен* ность и плотность при воздействии разнообразных абиотических и биотических факторов внешней среды.

Основные параметры популяции — ее численность и плотность. Численность популяции—это общее количество особей на данной территории или в данном объеме. Она никогда не бывает постоянной и, как правило, зависит от соотношения интенсивности размножения и смертности.

Плотность популяции определяется количеством осо­бей или биомассой на единицу площади или объема. Напри» мер, 106 растений березы на 1 га. или 1.5 окуня в I м3 воды характеризуют плотность популяций этих видов. При возраста нии численности плотность Не увеличивается лишь в том слу­чае, если возможно расселение популяции на большую пло­щадь или в большем объеме.

Размеры ареала распространения, численность И плотность популяций непостоянны и могут изменяться в значительных пределах. Нередко эти изменения связаны с деятельностью че­ловека. Но основными причинами такой динамики являются изменения условий существования, наличия кормов (т.е. энерге­тических ресурсов) и других причин.

Установлено, что численность популяций может кОлебаТьСй Небеспредельно. Удержание численности популяции в опреде­ленных пределах обеспечивается ее способностью к саморегу­лированию. Любая популяция всегда имеет нижние И верхние пределы плотности, за границы которых Она выходить не мбжет (рис. 3.5). При благоприятном сочетании факторов плотность популяции удерживается на каком-то оптимальном уровне, Не­значительно отклоняясь от него. Такие колебания плотности Обычно носят правильный, регулярный характер и Четко ОТра жают реакцию Популяции на конкретные изменения условий среды. В природе могут иметь место сезонные колебания ^ие* ленности, особенно у мелких животных (мышевидные грызуны. Насекомые, некоторые птицы). Так, численность мышевидны* грызунов в течение одного сезона иногда увеличивается в 300— Б00 раз, а некоторых насекомых в 1300—-1500 раЗ.

Падение плотности ниже оптимальной обусловливает ухуд­шение защитных свойств популяции, уменьшение ее Плодови­тости и ряд Других отрицательных явлений. Популяций С мИ> нимальной численностью особей длительно существовать не могут, Известны случаи вымирания животных с низкой числен­ностью даже в заповедниках с весьма благоприятными условия ми жизни. Повышение плотности сверх оптимальной также не­благоприятно сказывается на популяции, поскольку при этом уничтожается кормовая база и сокращается жизненное прост­ранство.

Популяции регулируют свою численность и приспособлива-ются к изменяющимся условиям среды путем обновления осо­бей. Особи появляются в популяции благодаря рождению и иммиграции, а исчезают в результате смерти и эмиграции. При сбалансированной интенсивности рождаемости и смертно­сти формируется стабильная популяция. В такой популяции смертность компенсируется приростом, т.е. численность популя­ции к ее ареал удерживается на определенном уровне.

Однако равновесия популяций в природе не существует. Каждая популяция наделена как статическими, так и динами­ческими свойствами, поэтому плотность их постоянно колеблет­ся. Но при стабильных внешних условиях колебания эти проис­ходят около какой-то средней величины. В результате популя­ции не сокращаются и не увеличиваются, не расширяют и не сужают своего ареала.

Саморегулирование плотности популяции осуществляется действующими в Природе двумя взаимно урав­новешивающимися силами. Это, с одной стороны, свойственная организмам способность к размножению, с другой —- зависящие от плотности популяции процессы, ограничивающие воспроиз­водство. Авторегуляция плотности популяции — необходимое приспособление для поддерживания жизни в постоянно меняю­щихся условиях.

Популяция — это наименьшая эволюционирующая едини­ца. Она существует не изолированно, а в связи с популяциями других видов. Поэтому в природе одновременно широко распро странены и внепопуляционные механизмы автоматической регу­ляции, точнее межпопуляционные. При этом популяция являет­ся регулируемым объектом, а в качестве регулятора выступает природная система, слагающаяся из множества популяций раз­ных видов. Эта система в целом и входящие в ее состав попу­ляции других видов влияют на данную, конкретную популяцию, а каждая в отдельности со своей стороны воздействует на всю систему, в состав которой она входит.

Функционирование и структура биогеоценозов. В биоценозах между различными видами живых организмов возникают опре­деленные связи. Основной формой этих связей служат пищевые взаимоотношения, на базе которых формируются сложные цепи и циклы питания и пространственные связи. Именно иа пище­вых и пространственных отношениях (трофических и топических) строятся разнообразные биотические ком­плексы, объединяющие виды живых организмов в единое целое, т.е. в биологическую макросистему — биогеоценоз.

Естественные биогеоценозы обычно представляют собой мно­говидовые сообщества. И чем разнообразнее по видовому соста­ву биоценоз, тем у него больше возможностей для более пол­ного и экономичного освоения материальных и энергетических ресурсов.

Все звенья цепи питания взаимосвязаны и зависимы друг от друга. Между ними, от первого к последнему звену, осуще­ствляется передача вещества и энергии (рис. 3.6,а). При пере­даче энергии с одного трофического уровня на другой происхо­дит ее потеря. Вследствие этого цепь питания не может быть длинной. Чаще всего она состоит из 4—6 звеньев на суше и 5—8 в океане. В любой цепи питания не вся пища используется на рост особи, т.е. на накопление биомассы. Часть ее расходуется на удовлетворение энергетических затрат организма: на дыхание, движение, размножение, поддержание температуры тела и др. При этом биомасса одного звена не может быть перерабо­тана последующим звеном полностью. В каждом последующем звене пищевой цепи происходит уменьшение биомассы по срав­нению с предыдущим. Это касается не только биомассы, но и численности особей и потока энергии.

Это явление было изучено Ч. Элтоном и названо пирамидой чисел, или пирамидой Элтона (рис. 3.6.6). Основание пирами­ды образуют растения — продуценты, Над ними располагаются фитофаги. Следующее звено представлено консументами второго порядка. И так далее до вершины пирамиды, которую состав­ляют наиболее крупные хищники. Число этажей пирамиды обыч­но соответствует числу звеньев пищевой цепи.

Экологические пирамиды выражают трофическую структуру экологической системы в геометрической форме. Они могут быть построены из отдельных прямоугольников одинаковой высоты, длина которых в определенном масштабе отражает значение измеряемого Параметра. Таким образом можно по­строить пирамиды чисел, биомассы и энергии.

Источником энергии для биологического круговорота ве­ществ является солнечная радиация, аккумулируемая зелеными растениями — автотрофами. Из всей достигающей Земли сол­нечной радиации только около 0,1—0,2% энергии улавливается Зелеными растениями и обеспечивает весь биологический круго­ворот веществ в биосфере. При этом более половины энергии, связанной с фотосинтезом, расходуется самими растениями, а остальная аккумулируется в теле растения и в дальнейшем Служит источником энергии для всего многообразия организмов последующих трофических уровней.