Функціонування екосистем. Потоки енергії та речовини в екосистемах.

Тема: Життя екосистеми. Компоненти, енергія, цикли, функціонування.

План

1. Життя екосистем.

Література

1. Л.П. Царик, П.Л. Царик, І.М. Вітенко «Екологія». – Київ: Генеза, 2011. – 96с.

2. Б.Б. Гавриленко, А.Г. Тунік, Л.П. Осаул, І.В. Зубко «Екологія рідного краю». – Запоріжжя: Прем’єр, 2012. – 128 с.

3. Р.О. Романчук «Екологічна освіта». – Запоріжжя: ЛІПС, 2015. – 160 с.

1. Життя екосистем.

Термін екосистема у 1935 р. запропонував англійський геоботанік А. Тенслі й визначив її як сукупність спільно існуючих організмів (та умов їхнього існування), пов'язаних між собою обміном речовин, енергії та інформації. У такому вигляді це визначення в основному збереглося до нашого часу. Найпростішим можна вважати таке визначення: екосистема – це незалежна й динамічна біолого-фізико-хімічна система, що постійно змінюється. Життя екосистем біологи починають вивчати з нижчих за рівнем (окремих озер, боліт, річок, невеликих лісових масивів, полів), що при використанні засобів, техніки, коштів виконати значно легше, ніж для мезо- чи мегаекосистем. Підсумовуючи результати досліджень невеликих екосистем, які входять до значніших за масштабами, екологи роблять узагальнення, визначають типи й особливості їхніх взаємозв'язків, поступово вишукують закономірності складу, розвитку й функціонування найбільшої екосистеми планети – біосфери. Як правило, чітких, різких меж (кордонів) між екосистемами не існує, мають місце поступові переходи (наприклад, від лучних до лісових, від болотних до озерних, від середньогірських до високогірських). Ці перехідні зони називають екотопами. У межах кожної екосистеми діє більш-менш повний біологічний кругообіг речовин з участю продуцентів, консументів і редуцентів.

Екосистеми можуть бути стійкими, з характерними особливостями протягом довгого періоду, й короткочасними (тимчасові водойми). Для кожної системи характерний певний видовий склад, чисельність організмів, біомаса, відповідність певних трофічних груп, інтенсивність процесів продукування й деструкції органічних речовин.

Останнім часом у зв'язку з освоєнням Космосу почали створювати штучні екосистеми (в космічних кораблях, спеціальних лабораторіях). Усьому світові став відомий дуже цікавий і складний експеримент – створення штучної екосистеми («мікробіосфери») американцями Дж. Алленом і М. Нельсоном у 1991р. в штаті Арізона («Арізонські мильні бульбашки»). Кожна екосистема має два головних компоненти: автотрофний – організм, що утворює своє тіло з мінеральних речовин і енергії, й гетеротрофний, який живить свій організм готовими органічними речовинами чи істотами.

Склад екосистем:

1) неорганічні речовини;

2) органічні речовини;

3) кліматичні умови;

4) продуценти-автотрофи (зелені рослини й деякі бактерії);

5) фаготрофи або гетеротрофи – тварини;

6) сапротрофи – бактерії та гриби, що руйнують, розкладаючи їх органічні речовини.

Процес розкладу дуже важливий, оскільки закінчується поверненням у кругообіг елементів мінерального живлення, а також допомагає утворенню їжі для деяких організмів у ланцюгу живлення, утворенню біологічно активних речовин, утворенню грунтів із материнських порід. Умовою існування й нормального функціонування будь-якої екосистеми є наявність усіх ланок трофічного ланцюга (тобто ланцюга живлення). В екосистемах мають місце такі явища, як коменсалізм, мутуалізм і нейтралізм – різні форми співіснування живих істот (симбіоз).

Коменсалізм – коли для одного партнера співіснування є вигідним, а для іншого – нейтральним.

Мутуалізм – коли співіснування організмів є взаємовигідним.

Нейтралізм – коли співжиття організмів не дає їм ні позитивних, ні негативних наслідків. Кожен вид в екосистемі має своє функціональне місце – екологічну нішу, де він не конкурує з іншими видами за джерело енергії. Це фізичний простір, який займають організми кожного виду, з їхньою функціональною роллю в спільноті, розміщенням по відношенню до зовнішніх екологічних факторів, характером реакції на зміни останніх та морфоструктурним пристосуванням. Розумінню енергетичних процесів, які відбуваються в екосистемах, допомагає знання законів термодинаміки.

Усі форми енергії поділяють на дві групи: потенційну й кінетичну.

Потенційна – це та, яка в чомусь зосереджена й може бути використана за допомогою якогось вивільнюючого фактора (наприклад, енергія, сконцентрована у вугіллі, нафті, урановій руді чи їжі, яку ми вживаємо).

Кінетична – це енергія об'єктів, що рухаються (енергія води, що падає, вітру, що дме, енергія мускулів людини чи тварини в дії). Усі форми енергії підкоряються двом базовим законам, які називаються законами термодинаміки. Перший закон термодинаміки ще називають часто законом консервації енергії. Це означає, що енергія не може бути ні народжена, ні знищена, вона може бути тільки трансформована з однієї форми в іншу. Важливо, що при цьому кількість енергії не змінюється.

В екологічних системах має місце велика кількість енергоперетворень: енергія Сонця (тепло і світло) перетворюється завдяки фотосинтезу в енергію продуцентів, енергія продуцентів – в енергію консументів різних рівнів. Сучасне людське суспільство теж перетворює в ході своєї щоденної діяльності величезні маси однієї енергії в іншу.

Перший закон допомагає нам зрозуміти, що енергія існує в різних формах, а також те, що у всіх екосистемах ніколи не може бути більше енергії, яка виділяється, від тієї, яка надходить. Глибокі сучасні дослідження й розрахунки показали, що кількість енергії, яка надходить, завжди дорівнює кількості енергії, що виділяється. Перший закон підказує людині, що неможливо щось зробити з нічого, а також те, що ми повинні постійно контролювати витрату нашої енергії й не витрачати її більше, ніж передбачено балансами екосистеми чи біосфери, співвідносити вартість енергії з вартістю витрачених на неї ресурсів, транспорту, процесів трансформації і пов'язаних з ними забруднень.

Другий закон термодинаміки теж має справу з енергією, але не з кількістю, а з якістю. Цей закон пояснює, що відбувається з якістю енергії, коли вона переходить з однієї форми в іншу. Другий закон стверджує, що при трансформаціях енергії вона з більш концентрованої переходить в менш концентровану, розсіюється. Другий закон широко використовується у нашому житті. Він говорить нам, що коли ми спалюємо нафту, вугілля, газ, наше постачання висококонцентрованої енергії скорочується (вичерпуються його резерви). Він також говорить нам, що ми не можемо повторно використати цю висококонцентровану енергію, оскільки після згоряння відбувається її розсіювання через тепло і витрати в просторі. І він застерігає нас не втрачати цей дорогоцінний ресурс.

Ентропія екосистем: космос є системою, що розкладається. Це пояснюється тим, що вся високоякісна енергія рано чи пізно перетворюється в тепло. Під час цієї конверсії матеріал теж піддається важливій зміні. Наприклад, шматок вугілля з його високоорганізованими молекулами при згорянні витрачає цю організацію, утворюється багато молекул газу двоокису вуглецю, які хаотично розсіюються в атмосфері. Тобто при згорянні вугілля утворюється безладдя. Спрощено дезорганізацію, випадковість можна назвати ентропією. У Космосі ентропія переважає. Випадковість збільшується з плином часу, але всередині хаосу існують острівці порядку. Одним з найважливіших є життя.

Живі системи з безладдя утворюють порядок. Наприклад, рослини, поглинаючи СО₂ в атмосфері, об'єднують його під час фотосинтезу в складні, організовані органічні з'єднання (форми) молекул. Сонячна енергія, яку використовують рослини, щоб утворити порядок на Землі, продукується завдяки поступовій деградації, розкладу Сонця. Сонце поступово розсіюється, продукуючи енергію. Але порядку, створеному на Землі живими системами, набагато менше, ніж безладдя, створеного при розсіюванні Сонця. У балансі переважає безладдя. Таким чином, за другим законом термодинаміки енергія розсіюється при переході з однієї форми в іншу.

Ентропія екологічна – це необоротне розсіювання енергії екосистемами. Воно відбувається двома шляхами: звичайної втрати тепла через різницю температур між біотою, грунтом і навколишнім середовищем, або втрати тепла організмами і їх біоценозами в процесі дихання й бродіння у зв'язку з вивільненням енергії при екзотермічних реакціях. Неврівноважені процеси в ізольованих системах супроводжуються зростанням температури, наближаючи їх системи до стану рівноваги, за якої екологічна ентропія є найвищою.

Термодинамічні закони регулюють життя – від найменшої бактерії до велетенського кита. Так, біомаса першого трофічного рівня майже всіх екосистем являє собою величезну масу потенційної (хімічної) енергії й ресурсний матеріал для будівництва другого трофічного рівня. Але порівняння біомас першого й другого рівнів в екосистемах показує, що вони не збігаються. Те ж саме відбувається з кількістю організмів і кількістю енергії, які завжди значно зменшуються від нижчих рівнів до вищих, від продуцентів до консументів. Велика кількість біомаси, енергії при переході з одного трофічного рівня на інший розсіюється. Тобто згідно з другим законом термодинаміки, енергія перетворюється в тепло, яке розсіюється в довкіллі і втрачається в просторі. За підрахунками екологів тільки 10% біомаси одного трофічного рівня перетворюється на біомасу іншого (правило 10%). Піраміди біомаси наочно демонструють нам дію термодинамічних законів екосистеми. І найголовнішим висновком із цього є такий: втрати біомаси від одного трофічного рівня екологічної піраміди до наступного встановлюють межі довжин ланцюгів живлення.

Ланцюги живлення мають, як правило, не більше чотирьох трофічних рівнів, тому що обсяг біомас на вершині трофічної структури недостатній для підтримання існування ще вищого рівня. Найголовнішою формою функціонування екосистеми є кругообіг речовини, енергії та інформації – процес багаторазової участі речовин (біогенних і абіогенних) в явищах циклічного характеру, що відбуваються в атмосфері, гідросфері й літосфері. Речовини, що залучаються до кругообігу, не тільки переносяться, а й трансформуються. При цьому дуже активну роль відіграють організми. До процесів кругообігів геологічного характеру відносять випаровування, переміщення й опади, звітрювання гірських порід, обмін між глибинними й поверхневими шарами Землі, розчинення у воді різних речовин земної кори й перенесення їх в океан, відкладання та утворення осадових порід на дні. Процеси кругообігу постійно підтримуються енергією Сонця.

Кругообіг речовин між Світовим океаном і сушею називають геологічним, великим. Малим кругообігом називають біогеоцентричний кругообіг – багаторазове циклічне, нерівномірне в часі й незамкнене обернення частини речовин, енергії і інформації в межах елементарних екосистем. Розрізняють ще біосферний кругообіг речовин – безперервний планетарний закономірний, циклічний процес нерівномірного в просторі й часі перерозподілу речовини, енергії та інформації, які входять до складу екосистем. Завдяки цьому кругообігу в природі забезпечується стабільність життя й успадкованість поколінь усіх живих істот. Найголовнішими кругообігами речовин є кругообіги води, кисню, вуглецю, натрію, фосфору.

Основними типами наземних екосистем є біоми, які відрізняються один від одного характером рослинності.

Виділяють такі основні типи біомів:

- пустелі, які мають два підтипи – пустелі тропіків і пустелі помірного

клімату;

- луки, підтипами яких є: тропічна савана, луки помірного поясу (степ), високотравні, низькотравні, полярні (арктична й альпійська тундра);

- ліси, включають підтипи: тропічні вологі, тропічні сухі, листяні помірного поясу й бореальний ліс або тайга;

- водні екосистеми;

- прісноводні екосистеми, серед яких розрізняють сильно зволожені землі, озера, ріки, штучні водосховища;

- солоні, або морські екосистеми, серед яких виділяють естуарії, прибережні зволожені зони, коралові рифи, океанічну мілину (шельф), континентальний схил, океанічні глибини й бентосні екосистеми, екосистеми підводних гідротерм рифтових долин.

Для кожного біома характерні певні види хребетних і безхребетних тварин, редуцентів і фотосинтезуючих видів рослин (продуцентів), які поряд із кліматичними, фізичними й хімічними факторами місцевості формують екосистему. У кожній екосистемі мешкають місцеві види, види-мігранти, принесені види, види-індикатори, ключові види. Кожен вид має свою нішу – мікросередовище, яке його оточує й до якого він найкраще пристосувався з точки зору фізичних, хімічних і енергетичних потреб.

Факторами, які впливають на життя екосистем, можуть бути:

1. Фізичні: діапазон температур, характер геофізичного поля, дощі, висота над поверхнею Землі, вітер, тип грунту, кількість світла, кількість завислого матеріалу в водних середовищах, вогонь.

2. Хімічні: солоність води, концентрація живильних речовин, розчинених у поверхневих водах та опадах, природні й штучні токсини, розчинені у воді, ступінь насиченості води киснем.

3. Природні катастрофічні: пожежі, повені, засухи, епідемії, землетруси.

4. Природні поступові: еміграція й іміграція видів, кліматичні зміни, пристосування й еволюція видів, евтрофікація водойм, сукцесія.

5. Антропогенні, сільськогосподарські та промислові: винищення лісів, зарегулювання річкового стоку, меліоративні роботи, виснаження й ерозія грунтів, перехімізація грунтів, знищення хижаків, забруднення всіх типів вод, забруднення повітря.

6. Антропогенні соціально-економічні: значний вилов риби, браконьєрство, надінтенсивний туризм, розведення екзотичних, чужих місцевості видів, несумісна рекреаційна діяльність, пожежі, інфекції від домашніх тварин і рослин.

Дослідженнями українських вчених М. Голубця і Й. Царика (1991) встановлені такі важливі особливості екосистем: кожна жива система є саморегульованою, має свою програму розвитку й здатна фіксувати в пам'яті всі позитивні й негативні зовнішні впливи на стан її функціонування та розвитку. Система може вибирати таку форму реакції на зовнішні впливи («збурення»), яка забезпечує їй найефективніший варіант захисту від «збурювальної» дії екологічного фактора. Саморегуляція екосистем відбувається завдяки стабільності й стійкості.

Стабільність екосистеми – це закладена в її генетичній програмі здатність протягом усього періоду існування реалізувати в мінливих умовах зовнішнього середовища свою життєву програму розвитку.

Стабільність – це сума різноманітних стійкостей у часі.

Стійкість живої системи – це її здатність завдяки внутрішнім механізмам захисту протистояти зовнішнім негативним впливам і адаптуватися до них без істотних змін.

Стабільність і стійкість – два різні, але тісно пов'язані між собою поняття. Це узагальнена властивість живої системи, що нормально функціонує у конкретних умовах, і окрема властивість живої системи, яка характеризує її здатність протистояти дії негативних екологічних факторів. Слід відрізняти стабільність від біотичної інтеграції.

Функціонування екосистем. Потоки енергії та речовини в екосистемах.

Функціонування екосистеми будь-якого рівня здійснюється лише за рахунок використання матеріально-енергетичних і інформаційних можливостей навколишнього середовища.

Обмін речовин окремих організмів із навколишнім середовищем у процесі подиху, харчування, різноманітних виділень, або в більш загальному вигляді – кругообіг речовини в екосистемах можливий лише в процесі використання і передачі енергії.

Кожній екосистемі і всім організмам в ній потрібний постійний і достатній приплив енергії для підтримки достатньо складних внутрішніх зв'язків, без чого не можливо протистояти ентропії, тобто прагненню енергії перейти не в корисну для організму роботу по обміну речовини (або кругообігу речовини у екосистемі), а в тепло і розсіятися в навколишньому просторі. В екосистемі, як і у біосфері в цілому, основними потоками енергії є потоки концентрованої (в основному Сонячної) і розсіяної енергії (теплової). Живі організми, у деякому змісті, можна порівнювати зі своєрідними машинами, що виробляють біомасу. Розрахунки показали, що КПД рослинної машини не більше 1%, тобто тільки 1% сонячної енергії міститься у рослинній продукції. Куди ж витрачаються інші 99%?

Достатньо велика кількість (30 – 40%) променевої енергії не проникає в листя і відбивається від їхньої поверхні. Велика частина (60 – 70%) витрачається на подих, випар, екскрецію, перетворюючись у тепло. Розподіл енергії на рівні продуцентів і первинних консументів.

Потік сонячної енергії перетвориться рослинами в процесі фотосинтезу в енергію хімічних зв'язків, яка послідовно переходить із їжею від рослин до тварин – консументів першого порядку, від них – до консументів другого і більш високих викидів, а в міру загибелі організмів або виділення ними останків – до редуцентів.

Особливістю перетворення енергії в екосистемах є її одностороння спрямованість – променева енергія, пройшовши ряд перетворень, у значній мірі розсіюється у вигляді тепла. Таким чином, для нормального функціонування екосистеми необхідна постійна і достатня подача концентрованої енергії, спроможної перетворюватися в роботу, при цьому ентропія навколишнього середовища збільшується, тому обов'язково необхідний стік теплової енергії з екосистем.

Ряд організмів, в якому кожна попередня ланка використовується як їжа, для подальших має назву трофічного (харчового) ланцюга.

Довжина трофічного ланцюга, не може бути занадто великою. Вона, як правило, не перевищує п'яти – семи рівнів. Це зумовлено тим, щодо кожного наступного організму трофічного ланцюга переходить тільки мала доза енергії споживаної на попередньому рівні, інша йде на підтримку життєвих процесів і значна частина розсіюється у вигляді тепла. При переході від однієї ланки трофічного ланцюга до іншої передається тільки 10 – 20% зв'язаної енергії, а 80 – 90% її розсіюється у вигляді тепла. Тому, загальна маса живої речовини, наступної харчової ланки, різко зменшується. В екології співвідношення чисельності організмів, їх біомас або зв'язаної в біомасі енергії звичайно зображують у формі екологічних пірамід.

Рис.2.4. Один з варіантів трофічного ланцюга.

Розрізняють екологічні піраміди чисельності, біомаси та енергії. В основі екологічної піраміди розміщуються організми першого трофічного рівня. З точки зору оцінки загальної ефективності екосистем найбільшу інформацію дають екологічні піраміди енергії. Вони відображають швидкість утворення біомаси та показують скільки енергії утримується на кожному з трофічних рівнів за певний період часу (звичайно за рік). Живі організми екосистем взаємозалежні з навколишнім середовищем таким чином, що потік енергії створює чітко визначені біологічні структури і колообіги речовини між живою і неживою частинами екосистеми.

Під біологічним колообігом розуміється надходження хімічних елементів із ґрунту, атмосфери, гідросфери в живі організми, створення їх у процесі життєдіяльності в складні органічні сполуки і повернення їх потім у ґрунт, атмосферу, гідросферу в процесі життєлюбності з щорічним опалом частини органічної речовини і переробки її редуцентами – розкладання на прості хімічні елементи.

Біогеохімічні кругообіги речовини – частина біологічного кругообігу, складена обмінними циклами хімічних речовин, тісно пов'язаних із життям (головним чином вуглецю, води, азоту, фосфору, сірки і біогенних катіонів).

Екосистеми будуть нормально функціонувати, якщо немає порушень при проходженні енергії через трофічні ланцюги і нормально функціонують біогеохімічні колообіги речовини. Збільшення забруднення атмосфери промисловими викидами ускладнює засвоєння сонячної енергії рослинами. В результаті, зменшується кількість їжі, а отже, і енергії, що надходить всім іншим живим організмам, усе більша їхня кількість не зможе протистояти збільшенню ентропії і загине. При визначених розмірах цього процесу вся система може загинути. Це тільки один приклад негативного антропогенного впливу на природу.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: