Круговорот биогенных веществ и потоки энергии в экосистемах: 3. Потоки вещества и энергии в экосистеме

Содержание

3. Потоки вещества и энергии в экосистеме

В экосистемах происходит непрерывный обмен энергией и веществом между живой и неживой природой. Энергия и вещество постоянно необходимы живым организмам, и они черпают их из окружающей неживой природы.

 

Вещества и энергия в сообществах передаются по пищевым цепям. Количества вещества и энергии, проходящие через живые организмы, чрезвычайно велики.

Пример:

полевая мышь способна за свою жизнь съесть десятки килограммов зерна; рост растений сопровождается огромным потреблением воды и т. д.

Обрати внимание!

Энергия не может передаваться по замкнутому кругу.

Она доступна живым организмам в форме солнечной радиации, которая может быть связана в процессе фотосинтеза. Расходуясь затем в виде химической энергии, она теряется, превращаясь в тепло.


Необходимые для жизни элементы и растворённые соли условно называют питательными веществами, или биогенными (дающими жизнь) элементами.

Пример:

к биогенным элементам относятся элементы, которые составляют химическую основу тканей живых организмов (макроэлементы): углерод, водород, кислород, азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера.

К этой группе относятся также элементы, содержание которых в живых организмах невелико (микроэлементы): железо, марганец, медь, цинк, бор, натрий, молибден, хлор, ванадий и кобальт.

Совершенно ясно, что если бы живые организмы безвозвратно заимствовали все нужные питательные вещества из неживой природы, ничего при этом не возвращая обратно, запасы этих веществ на Земле иссякли бы, и жизнь прекратилась. Этого не происходит, потому что питательные вещества постоянно возвращаются в окружающую среду в результате жизнедеятельности самих организмов.

 

Обрати внимание!

Биогенные вещества могут передаваться по замкнутым циклам, многократно циркулируя между организмами и окружающей средой. Это явление получило название круговорота веществ.

Подробнее этот вопрос будет рассмотрен в разделе о биосфере.

 

Разные виды организмов в сообществе оказываются тесно связанными друг с другом, взаимозависимыми друг от друга. Благодаря этим связям органические вещества, синтезированные продуцентами с поглощением солнечной энергии, передаются консументам и претерпевают химические превращения.

 

Большая часть произведённого вещества расходуется на обеспечение процессов жизнедеятельности организмов разных трофических уровней, некоторое количество идёт на построение тел консументов. В результате все органические вещества разлагаются редуцентами и возвращаются в среду в виде минеральных веществ, которые вновь могут использовать растения-продуценты. Таким образом, возникает устойчивый круговорот веществ, решающую роль в котором играют живые организмы.

 

Запасы биогенных элементов непостоянны. Сохранение их атомов в живых организмах уменьшает количество этих элементов, находящееся в неживой части экосистемы. И если бы растения и другие организмы в конечном счёте не разлагались бы, запас биогенных элементов мог бы истощиться, и жизнь на Земле была бы невозможна. Поэтому такое большое значение имеет активность гетеротрофов и особенно редуцентов, участвующих в цепях разложения. В результате деятельности этих организмов сохраняется круговорот биогенных элементов и жизнь на Земле может продолжаться.

Источники:

http://school-collection.edu.ru

Круговорот веществ и поток энергии в экосистемах

Круговорот веществ и поток энергии в экосистемах

Питание — основной способ движения веществ и энергии.

Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ, которые необходимы для поддержания жизни. Главным источником энергии для подавляющего большинства живых организмов на Земле является Солнце. Фотосинтезирующие организмы (зеленые растения, цианобактерии, некоторые бактерии) непосредственно используют энергию солнечного света. При этом из углекислого газа и воды образуются сложные органические вещества, в которых часть солнечной энергии накапливается в форме химической энергии. Органические вещества служат источником энергии не только для самого растения, но и для других организмов экосистемы. Высвобождение заключенной в пище энергии происходит в процессе дыхания. Продукты дыхания — углекислый газ, вода и неорганические вещества — могут вновь использоваться зелеными растениями. В итоге вещества в данной экосистеме совершают бесконечный круговорот. При этом энергия, заключенная в пище, не совершает круговорот, а постепенно превращается в тепловую энергию и уходит из экосистемы. Поэтому необходимым условием существования экосистемы является постоянный приток энергии извне (рис. 14.5).

Рис. 14.5. Сулммарный поток энергии (темные стрелки) и круговорот веществ (светлые стрелки) в экосистеме.

Таким образом, основу экосистемы составляют автотрофные организмы —продуценты (производители, созидатели), которые в процессе фотосинтеза создают богатую энергией пищу — первичное органическое вещество. В наземных экосистемах наиболее важная роль принадлежит высшим растениям, которые, образуя органические вещества, дают начало всем трофическим связям в экосистеме, служат субстратом для многих животных, грибов и микроорганизмов, активно влияют на микроклимат биотопа. В водных экосистемах главными производителями первичного органического вещества являются водоросли.

Готовые органические вещества используют для получения и накопление энергии гетеротрофы, или

консументы (потребители). К гетеротрофам относятся растительноядные животные (консументы I Порядка), плотоядные, живущие за счет растительноядных форм (консументы II порядка), потребляющие других плотоядных (консументы Ш порядка) и т. д.

Особую группу консументов составляют редуценты (разрушители, или] деструкторы), разлагающие органические остатки продуцентов и консументов до простых неорганических соединений, которые зат-ем используются продуцентами. К редуцентам относятся главным образом микрорганизмы — бактерии и грибы. В наземных экосистемах особенно важное значение имеют почвенные редуценты, вовлекающие в общий круговорот органические вещества отмерших растений (они потребляют до 90% первичной продукции леса). Таким образом, каждый живой организм в составе экосистемы занимает определенную экологическую нишу (место) в сложной системе экологических взаимоотношений с другими организмами и абиотическими условиями среды.

Пищевые цепи (сети) и трофические уровни. Основой любой экосистемы, ее фундаментом являются пищевые (трофические) и сопутствующие им энергетические связи. В них постоянно происходит перенос Вещества и энергии, которые заключены в пище, созданной преимущественно растениями.

Перенос потенциальной энергии пищи, созданной растениями, через ряд организмов путем поедания одних видов другими называется цепью питания или пищевой цепью, а каждое ее звено —трофическим уровнем (рис. 14.6).

Рис. 14.6. Цепи питания африканской саванне.

Первый трофический уровень образуют продуценты (растения), второй — первичные консументы (растительноядные животные), третий — вторичные консументы (плотоядные животные и паразиты).

Поскольку каждый организм имеет несколько источников питания и сам является объектом питания для других организмов из одной и той же пищевой цепи или даже из разных (всеядные организмы, например человек, медведь, воробей, потребляют как продуцентов, так и консументов, т. е. живут на разных трофических уровнях), цепи питания многократно разветвляются и переплетаются в сложные пищевые сети (рис. 14.7).

Рис. 14.7. Сети питания в экологической системе.

Существуют два основных типа пищевых цепей — пастбищные (цепи выедания, или цепи потребления) и детритные (цепи разложения).

Пастбищные цепи начинаются с продуцентов: клевер —>кролик —> волк; фитопланктон (водоросли) —> зоопланктон (простейшие) —>плотва —> щука —> скопа.

Детритные цепи начинаются от растительных и животных остатков, экскрементов животных — детрита; идут к микроорганизмам, которые ими питаются, а затем к мелким животным (детритофагам) и к их потребителям — хищникам. Детритные цепи наиболее распространены в лесах, где большая часть (более 90%) ежегодного прироста биомассы растений не потребляется непосредственно растительноядными животными, а отмирает, подвергаясь разложению (сапротрофными организмами) и минерализации. Типичным примером детритной пищевой связи наших лесов является следующий: листовая подстилка —

> дождевой червь —> черный дрозд—> ястреб-перепелятник. Кроме дождевых червей, детритофагами являются мокрицы, клеши, ногохвостки, нематоды и др.

Экологические пирамиды. Пищевые сети внутри каждого биогеоценоза имеют хорошо выраженную структуру. Она характеризуется количеством, размером и общей массой организмов — биомассой — на каждом уровне цепи питания. Для пастбищных пищевых цепей характерно увеличение плотности популяций, скорости размножения и продуктивности их биомасс. Снижение биомассы при переходе с одного пищевого уровня на другой обусловлено тем, что далеко не вся пища ассимилируется консументами. Так, например, у гусеницы, питающейся листьями, в кишечнике всасывается только половина растительного материала, остальное выделяется в виде экскрементов. Кроме того, большая часть питательных веществ, всасываемых кишечником, расходуется на дыхание и лишь 10—15% в конечном счете используется на построение новых клеток и тканей гусеницы.

По этой причине продукция организмов каждого последующего трофического уровня всегда меньше (в среднем в 10 раз) продукции предыдущего, т. е. масса каждого последующего звена в цепи питания прогрессивно уменьшается. Эта закономерность получила название правило экологической пирамиды (рис. 14.8).

Рис, 14.8. Упрощенная экологическая пирамида.

Различают три способа составления экологических пирамид:

1. Пирамида численностей отражает численное соотношение особей разных трофических уровней экосистемы. Если организмы в пределах одного или разных трофических уровней сильно различаются между собой по размерам, то пирамида численностей дает искаженные представления об истинныхсоотношениях трофических уровней. Например, в сообществе планктона численность продуцентов в десятки и сотни раз больше численности консументов, а в лесу сотни тысяч консумен-тов могут питаться органами одного дерева — продуцента.

2.   Пирамида биомасс показывает количество живого вещества, или биомассы, на каждом трофическом уровне. В большинстве наземных экосистем биомасса продуцентов, т. е. суммарная масса растений наибольшая, а биомасса организмов каждого последующего трофического уровня меньше предыдущего. Однако в некоторых сообществах биомасса консументов I порядка бывает больше биомассы продуцентов. Например, в океанах, где основными продуцентами являются одноклеточные водоросли с высокой скоростью размножения, их годовая продукция в десятки и даже сотни раз может превышать запас биомассы. Вместе с тем, вся образованная водорослями продукция так быстро вовлекается в цепи питания, что накопление биомассы водорослей мало, но вследствие высоких темпов размножения небольшой их запас оказывается достаточным для поддержания скорости воссоздания органического вещества. В связи с этим в океане пирамида биомасс имеет обратное соотношение, т. е. «перевернута». На высших трофических уровнях преобладает тенденция к накоплению биомассы, так как длительность жизни хищников велика, скорость оборота их генераций, наоборот, мала, и в их теле задерживается значительная часть вещества, поступающего по цепям питания.

3.   Пирамида энергии отражает величину потока энергии в цепи питания. На форму этой пирамиды не влияют размеры особей, и она всегда будет иметь треугольную форму с широким основанием внизу, как это диктуется вторым законом термодинамики. Поэтому пирамида энергии дает наиболее полное и точное представление о функциональной организации сообщества, о всех обменных процессах в экосистеме. Если пирамиды чисел и биомасс отражают статику экосистемы (количество и биомассу организмов в данный момент), то пирамида энергии —динамику прохождения массы пищи через цепи питания. Таким образом, основание в пирамидах чисел и биомасс может быть больше или меньше, чем последующие трофические уровни (в зависимости от соотношения продуцентов и консументов в различных экосистемах). Пирамида энергии всегда суживается кверху. Это обусловлено тем, что энергия, затраченная на дыхание, не передается на следующий трофический уровень и уходит из экосистемы. Поэтому каждый последующий уровень всегда будет меньше предыдущего. В наземных экосистемах уменьшение количества доступной энергии обычно сопровождается снижением численности и биомассы особей на каждом трофическом уровне. Вследствие таких больших потерь энергии на построение новых тканей и дыхание организмов цепи питания не могут быть длинными; обычно они состоят из 3—5 звеньев (трофических уровней).

Знание законов продуктивности экосистем, возможность количественного учета потока энергии имеют важное практическое значение, поскольку продукция природных и искусственных сообществ (агроиенозов) является основным источником запасов пищи для человечества. Точные расчеты потока энергии и масштабов продуктивности экосистем позволяют регулировать в них круговорот веществ таким образом, чтобы добиваться наибольшего выхода необходимой для человека продукции.

Урок по теме: «Круговорот веществ и поток энергии в экосистемах»

Круговорот веществ и поток энергии в экосистемах.

Задачи урока: образовательные — дать представление о круговороте веществ и потоке

энергии в экосистеме,

— помочь учащимся в изучении большого и малого

круговорота в-в; круговорота углерода в природе;

— расширять объем представлений об экосистеме, цепях

и сетях питания;

— развивать умение доказывать правильность своих

суждений на конкретных примерах живых организмов.

воспитательные – формировать научное мировоззрение учащихся;

— развивать умение работать в группе;

— формировать культуру труда;

— экологическое и природоохранное воспитание

учащихся.

развивающие – — развивать умение работать с дополнительной

литературой; раздаточным материалом,

— побуждать учащихся к установлению логических

связей,

— будить воображение учащихся,

— обеспечивать речевую активность учащихся,

— пробудить и развивать любознательность.

Методы и методические приемы: фронтальная беседа, рассказ учителя, работа с таблицей и раздаточным материалом, постановка проблемных вопросов и заданий, работа с текстом учебника, кластер.

Оборудование: таблица «Круговорот в-в», карточки к уроку.

Структура урока: 1. Орг. момент (1-2 мин.)

2. Постановка целей и задач урока ( до 3 мин.)

3. Опрос д/з ( до 12 мин.)

3. Погружение в тему ( до 15 мин.)

— Понятие круговорота в-в

— Большой и малый круговорот в-в

4. Закрепление материала( до 12 мин.)

5. Д/з (1-2мин.)

Ход урока:

п/п

В биологическом разнообразии видов кроется наиболее мощный механизм устойчивости экосистемы (биогеоценоза). Живая природа подчинена принципу разнообразия, поскольку на Земле нет двух совершенно одинаковых не только видов или сообществ, но и особей. На основе изменчивости особей действует естественный отбор, а на основе разнообразия видов складываются сообщества и экосистемы.

Разнообразие видов позволило жизни освоить все «уголки» биосферы, существовать на всех географических широтах, во всех типах климата, в глубинах океанов и толщах грунтов.

Биологический круговорот веществ требует участия видов с прямо противоположными функциями. Очевидно, что и на заре возникновения жизни существовало разнообразие первичных организмов, иначе биологический круговорот не смог бы возникнуть.

Разнообразие видов позволяет им формировать сообщества, занимать все экологические ниши и тем самым наиболее полно использовать ресурсы среды. В биогеоценозах, как мы видели, создается своего рода «разделение труда» между видами, их взаимная дополняемость, и это стабилизирует биогеоценоз.

Кроме взаимной дополняемости биологическое разнообразие обеспечивает взаимную заменяемость видов в экосистемах. Отдельные виды могут быть заменены их конкурентами без ущерба для общего состояния экосистемы. Выпадение из сообщества каких–либо видов тоже может пройти почти бесследно

— В каком случае это будет наблюдаться? (если это не касается основных средообразователей).

Так как экологические ниши близких по требованиям видов могут частично перекрываться, исчезновение одного из них оказывается неопасным для биогеоценоза. Его функции могут принять на себя сразу несколько видов по правилу конкурентного высвобождения. Но это возможно, если в экосистеме представлено большое разнообразие видов.

Наиболее важные процессы в экосистемах имеют множественное обеспечение, т.е. к сходному результату может привести деятельность разных видов.

Например, в такой важной функции, как разложение мертвого органического вещества, одновременно участвуют многие группы организмов с большим видовым разнообразием: бактерии, грибы, простейшие, круглые и кольчатые черви, членистоногие. Дождевые черви в большинстве типов почв играют важнейшую роль в этих процессах. Но в Канаде на большей части ее территории дождевые черви отсутствуют, и тем не менее там формируются экосистемы, по внешнему облику и характеру круговоротов похожие на европейские.

Биологическое разнообразие видов – необходимое условие и для протекания первичных и восстановительных сукцессий. Одна из причин торможения сукцессионного процесса на обширных нарушенных человеком пространствах – низкое разнообразие видов на прилегающих территориях, отсутствие семян нужных видов растений и сопровождающих их животных – опылителей, разлагателей и т.п. Без видового разнообразия не происходит смены сообществ в направлении к устойчивым экосистемам (биогеоценозам).

Устойчивость природы, таким образом, основана на вполне определенных законах сложения и динамики природных систем, не считаться с которыми люди не имеют права, так как это оборачивается против их собственного благополучия.

Этап урока

Содержание этапа

Методы и методичес-кие приемы

1

Орг.

момент

Приветствие учащихся, проверка отсутствующих, проверка готовности к уроку, организация внимания учащихся объяснение хода урока.

2

Поста-новка целей и задач урока

В развитых, сложившихся экосистемах существуют пищевые взаимодействия м/у автотрофными и гетеротрофными организмами. Одни организмы поедаются другими, и таким образом осуществляется цепной перенос вещества и энергии в экосистемах, лежащий в основе круговорота в-в в природе.

Демонстрация слайда №1 «Круговорот углерода»

Цель нашего урока – продолжить изучение закономерности переноса вещества и энергии в экосистемах, рассмотреть понятие о биологическом круговороте веществ и потоке энергии в экосистемах.

Поста-новка целей и задач урока

3

Опрос д/з

Что такое трофический уровень? Приведите примеры организмов относящихся к одному трофическому уровню.

— По какому принципу строятся экологические пирамиды? Какого типа пирамиды могут быть?

— Почему цепь не может включать в себя более 4-6 звеньев?

Задание классу:

Стр. 30-32, упр. IV (8, 10, 11, 12)

Уплотнен-ный комбини-рованный опрос

Работа в тетради на печатной основе

4

Изучение нового материа-ла

Погружение в тему

Людям необходимо понимать, на чем основана устойчивость популяций, сообществ и экосистем, чтобы соразмерять свою деятельность с законами природы. Назовем некоторые наиболее важные для сохранения устойчивости экологические закономерности: цикличность, отрицательная обратная связь, биологическое разнообразие видов.

Цикличность (греч. kyklos – «кругооборот»), т.е. многократное использование биогенных веществ, лежит в основе биологического круговорота, от которого зависит устойчивость экосистемы (биогеоценоза) (рис. 86).

Рис. Биогеохимический цикл углерода

Водород, кислород, углерод, азот, фосфор и другие биогенные элементы совершают в биосфере постоянные и многократные миграции между телами организмов и физической средой. Плоть живущих сейчас людей включает атомы, побывавшие в составе тел древних стегоцефалов, динозавров, первоптиц и мамонтов.

Циклическое использование ограниченных по запасам веществ делает их практически неисчерпаемыми. На этом основана вечность жизни. Иначе она давно угасла бы на Земле, израсходовав все доступные ресурсы.

Отрицательная обратная связь заключается в том, что отклонения от нормального состояния системы вызывают в ней такие изменения, которые начинают противодействовать этим отклонениям. В итоге происходит регуляция, т.е. возврат системы в прежнюю норму.

Отрицательная обратная связь регулирует численность популяций в биогеоценозе и осуществляется через биоценотические, т.е. межвидовые, отношения. В основном это связи между хищником и жертвой, паразитом и хозяином. Рост численности жертв, создавая хорошую кормовую базу для хищников, обеспечивает последним успешное размножение и увеличение численности в следующем поколении. В геометрической прогрессии при этом возрастает и влияние хищников на популяции жертв, что приводит к резкому снижению численности последних. Поэтому виды, у которых много природных врагов, т.е. их «все едят», редко достигают численности, опасной для подрыва их собственных ресурсов. Точно так же снижение численности жертв, согласно принципу обратной связи, ведет к снижению численности хищников. Такое сопряженное колебание численности жертв и хищников хорошо видно на примере взаимодействия зайца и рыси (рис. 87).

Сложную ситуацию создает своими руками человек, когда борется с вредителями химическими методами. Обычно хищники и паразиты более чувствительны к ядам, чем их жертвы. Поэтому после кратковременного снижения численности вредители, освобожденные от врагов, размножаются с новой силой. Здесь человек нарушает ту отрицательную обратную связь, которая лежала в основе привычного взаимодействия видов.

Рис. Сопряженное колебание численности зайца и рыси, наблюдаемое длительное время на территории Канады.
Желтая линия — численность рыси, серая — зайца

Рассказ учителя с элементами фронталь-ной беседа

Демонстрация слайда

Рассказ учителя

Демонстрация таблицы

Запись в тетради

Демонстрация слайда №2 «Грибы»

Вывод по уроку

Вывод по уроку

5

Закрепление материа-ла

  1. Назовите главные законы устойчивости экосистем.

  2. Объясните, в чем заключается ценность биологического разнообразия видов в биогеоценозе.

  3. * Подумайте.

    • Почему химические элементы многократно участвуют в биологическом круговороте, а с энергией этого не происходит?

    • Использует ли человек в промышленности принцип цикличности, распространенный в природе?

    • Каким образом отрицательная обратная связь поддерживает устойчивость экосистемы?

Стр. 34-35, упр. II, III (4, 5, 6, 10)

Фронталь-ная беседа

Работа в тетради на печатной основе

6

Д/з

Параграф № 9 , стр.39

Запись в дневниках и на доске

Круговорот веществ и поток энергии в экосистемах


Биоценоз водной экосистемы

Водные экологические системы имеют ряд принципиальных отличий от наземных, наиболее значимые из них следующие:

 

  • Во-первых, продуценты наземных экосистем — растения — неразрывно связаны корневой системой с биогенным фондом, формирующимся в результате жизнедеятельности растений. Продуценты водных экосистем — водоросли — разобщены с основным биогенным фондом, формирующимся около дна, будь то океан, озеро, водохранилище или пруд. В освещенном слое, составляющем при самой высокой прозрачности не более нескольких десятков метров, недостаточно биогенных солей и прежде всего фосфатов, что служит лимитирующим фактором развития живых организмов;
  • Во-вторых, в наземных экосистемах растения — важнейший компонент питания многих животных, в результате чего распространение последних связано с растительными сообществами.

В морской среде животные (консументы) и поля фитопланктона (п р одуценты) разобщены. В большинстве водных биоценозов нет прямого контакта животных с живой растительностью, сосредоточенной в тонком приповерхностном слое. Масса животных живет ниже массы растений, используя продукты деструкции растительных организмов.

Таким образом, в жизни водных биоценозов важнейшую роль играет группа редуцентов, которые, минерализуя эти останки, делают их доступными для автотрофных растений. С глубиной количество пищи уменьшается. По способу перемещения водные организмы делят прежде всего на планктон, бентос и нектон.

По характеру вертикального распределения в грунте среди животных бентоса выделяют эпифауну — организмы, прикрепленные к грунту или передвигающиеся по нему, и инфауну — организмы, живущие в толще грунта. Животные бентоса (дна) живут на глубинах до нескольких тысяч метров. Многие виды, живущие на глубинах до 250 м, представляют собой большую хозяйственную ценность для человека; это мидии, устрицы, лангусты, омары.

Экосисте́ма, — биологическая система, состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними.



Биогеоценоз взаимообусловленный комплекс живых и косных компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергии.

Биотоп участок земной поверхности (суши или водоёма) с однотипными абиотическими условиями среды (рельеф, почвы, климат и т.п.), занимаемый тем или иным биоценозом.

Экотон(см пункт 40)

42) Сукце́ссия — последовательная необратимая и закономерная смена одного биоценоза (фитоценоза, микробного сообщества и т.д.) другим на определённом участке среды во времени.(пример заболачивание)

Экологи разделяют серии на две группы в соответствии с их происхождением:

1)первичная сукцессия – это обоснование и развитие растительных сообществ во вновь образовавшихся местообитаниях, в которых прежде растений не было (на песчаных дюнах, на застывших потоках лавы, породах, обнажившихся в результате эрозии или отступления льдов).

2)вторичная сукцессия – это восстановление естественной растительности в какой-либо местности после серьезного разрушения.

Гидрическая сукцессия – начинается в открытых водах мелких озер, верховых болот, маршей. Она может быть вызвана любым фактором, снижающим глубину воды и усиливающим аэрацию почвы (естественным дренированием, прогрессирующим высыханием или заполнением осадками). Изменения растительности на болотах иллюстрируют гидрическую сукцессию.

Причина:биогенные естественные процессы, антропогенные человек

Круговорот веществ и поток энергии в экосистемах

Питание — основной способ движения веществ и энергии.

Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ, которые необходимы для поддержания жизни. Главным источником энергии для подавляющего большинства живых организмов на Земле является Солнце. Фотосинтезирующие организмы (зеленые растения, цианобактерии, некоторые бактерии) непосредственно используют энергию солнечного света. При этом из углекислого газа и воды образуются сложные органические вещества, в которых часть солнечной энергии накапливается в форме химической энергии. Органические вещества служат источником энергии не только для самого растения, но и для других организмов экосистемы. Высвобождение заключенной в пище энергии происходит в процессе дыхания. Продукты дыхания — углекислый газ, вода и неорганические вещества — могут вновь использоваться зелеными растениями. В итоге вещества в данной экосистеме совершают бесконечный круговорот. При этом энергия, заключенная в пище, не совершает круговорот, а постепенно превращается в тепловую энергию и уходит из экосистемы. Поэтому необходимым условием существования экосистемы является постоянный приток энергии извне

Таким образом, основу экосистемы составляют автотрофные организмы —продуценты (производители, созидатели), которые в процессе фотосинтеза создают богатую энергией пищу — первичное органическое вещество. В наземных экосистемах наиболее важная роль принадлежит высшим растениям, которые, образуя органические вещества, дают начало всем трофическим связям в экосистеме, служат субстратом для многих животных, грибов и микроорганизмов, активно влияют на микроклимат биотопа. В водных экосистемах главными производителями первичного органического вещества являются водоросли.

Готовые органические вещества используют для получения и накопление энергии гетеротрофы, или консументы (потребители). К гетеротрофам относятся растительноядные животные (консументы I Порядка), плотоядные, живущие за счет растительноядных форм (консументы II порядка), потребляющие других плотоядных (консументы Ш порядка) и т. д.

Особую группу консументов составляют редуценты (разрушители, или] деструкторы), разлагающие органические остатки продуцентов и консументов до простых неорганических соединений, которые зат-ем используются продуцентами. К редуцентам относятся главным образом микрорганизмы — бактерии и грибы. В наземных экосистемах особенно важное значение имеют почвенные редуценты, вовлекающие в общий круговорот органические вещества отмерших растений (они потребляют до 90% первичной продукции леса). Таким образом, каждый живой организм в составе экосистемы занимает определенную экологическую нишу (место) в сложной системе экологических взаимоотношений с другими организмами и абиотическими условиями среды.

Пищевые цепи (сети) и трофические уровни. Основой любой экосистемы, ее фундаментом являются пищевые (трофические) и сопутствующие им энергетические связи. В них постоянно происходит перенос Вещества и энергии, которые заключены в пище, созданной преимущественно растениями.

Перенос потенциальной энергии пищи, созданной растениями, через ряд организмов путем поедания одних видов другими называется цепью питания или пищевой цепью, а каждое ее звено —трофическим уровнем

Первый трофический уровень образуют продуценты (растения), второй — первичные консументы (растительноядные животные), третий — вторичные консументы (плотоядные животные и паразиты). Поскольку каждый организм имеет несколько источников питания и сам является объектом питания для других организмов из одной и той же пищевой цепи или даже из разных (всеядные организмы, например человек, медведь, воробей, потребляют как продуцентов, так и консументов, т. е. живут на разных трофических уровнях), цепи питания многократно разветвляются и переплетаются в сложные пищевые сети

Существуют два основных типа пищевых цепей — пастбищные (цепи выедания, или цепи потребления) и детритные (цепи разложения). Пастбищные цепи начинаются с продуцентов: клевер —>кролик —> волк; фитопланктон (водоросли) —> зоопланктон (простейшие) —>плотва —> щука —> скопа.

Детритные цепи начинаются от растительных и животных остатков, экскрементов животных — детрита; идут к микроорганизмам, которые ими питаются, а затем к мелким животным (детритофагам) и к их потребителям — хищникам. Детритные цепи наиболее распространены в лесах, где большая часть (более 90%) ежегодного прироста биомассы растений не потребляется непосредственно растительноядными животными, а отмирает, подвергаясь разложению (сапротрофными организмами) и минерализации. Типичным примером детритной пищевой связи наших лесов является следующий: листовая подстилка —> дождевой червь —> черный дрозд—> ястреб-перепелятник. Кроме дождевых червей, детритофагами являются мокрицы, клеши, ногохвостки, нематоды и др.

Экологические пирамиды. Пищевые сети внутри каждого биогеоценоза имеют хорошо выраженную структуру. Она характеризуется количеством, размером и общей массой организмов — биомассой — на каждом уровне цепи питания. Для пастбищных пищевых цепей характерно увеличение плотности популяций, скорости размножения и продуктивности их биомасс. Снижение биомассы при переходе с одного пищевого уровня на другой обусловлено тем, что далеко не вся пища ассимилируется консументами. Так, например, у гусеницы, питающейся листьями, в кишечнике всасывается только половина растительного материала, остальное выделяется в виде экскрементов. Кроме того, большая часть питательных веществ, всасываемых кишечником, расходуется на дыхание и лишь 10—15% в конечном счете используется на построение новых клеток и тканей гусеницы. По этой причине продукция организмов каждого последующего трофического уровня всегда меньше (в среднем в 10 раз) продукции предыдущего, т. е. масса каждого последующего звена в цепи питания прогрессивно уменьшается. Эта закономерность получила название правило экологической пирамиды

 

Потоки вещества и энергии в экосистеме

1. Потоки вещества и энергии в экосистеме

Домашнее задание: § 20
В экосистемах происходит
непрерывный обмен энергией
и веществом между живой и
неживой природой.
Энергия и вещество постоянно
необходимы живым
организмам, и они черпают их
из окружающей неживой
природы.
Вещества и энергия в сообществах
передаются по пищевым цепям.
Количества вещества и энергии,
проходящие через живые организмы,
чрезвычайно велики.
Пищевые
цепи
бывают двух
типов:
пастбищная
(цепь
выедания) и
детритная.
Детритные пищевые цепи
характерны для лесных
экосистем, в которых роль
пастбищных пищевых цепей
незначительна. Кроме того,
детритные пищевые цепи
используются в хозяйстве
человека (линии по
выращиванию грибов, фермы по
выращиванию дождевых червей
и т. д.
ТРОФИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА —
организация
биоценоза,
основанная на
пищевых взаимоотношениях
популяций
разных
видов.
Пищевая (трофическая) сеть

6. Энергия не может передаваться по замкнутому кругу!

Энергия доступна для живых организмов в
форме солнечной радиации, которая может
быть связана в процессе фотосинтеза.
Расходуясь затем в
виде химической
энергии, она теряется,
превращаясь в тепло.
ххх

7. Необходимые для жизни элементы и растворённые соли условно называют питательными веществами или биогенными (дающими жизнь)

Необходимые для жизни элементы и
растворённые соли условно называют
питательными веществами или биогенными
(дающими жизнь) элементами.
К биогенным элементам относятся элементы,
которые составляют химическую основу тканей
живых организмов (макроэлементы): углерод,
водород, кислород, азот, фосфор, калий,
кальций, магний, сера. А также элементы и их
соединения, необходимые для существования
живых систем, но в исключительно малых
количествах (микроэлементы): железо,
марганец, медь, цинк, бор, натрий, молибден,
хлор, ванадий и кобальт.

8. Биогенные вещества могут передаваться по замкнутым циклам, многократно циркулируя между организмами и окружающей средой. Это

явление получило название круговорота
веществ.
Если бы живые организмы безвозвратно
заимствовали все необходимые им питательные
вещества из неживой природы, ничего при этом не
возвращая обратно, запасы питательных веществ
на Земле иссякли бы и жизнь прекратилась. Этого
не происходит, потому что питательные вещества
постоянно возвращаются в окружающую среду в
результате жизнедеятельности самих организмов.
Разные виды организмов в
сообществе оказываются тесно
связанными друг с другом, т.е.
взаимозависимыми друг от друга.
Передаваясь по цепям питания, и
вещество, и энергия
претерпевают ряд превращений.
Часть вещества может использоваться как материал
для строительства тел организмов, питающихся
растениями (которые, в свою очередь, поставляют
такой же «строительный материал» хищникам).
Вследствие отмирания организмов, всё биологическое
вещество в конечном счёте достается
микроорганизмам-редуцентам, участвующим в
превращении сложных органических соединений в
простые, которые вновь используются растениями.
Таким образом, возникает устойчивый круговорот
веществ, решающую роль в котором играют живые
организмы.
Запасы биогенных элементов непостоянны.
Процесс связывания некоторой их части в виде
живой биомассы снижает количество,
остающееся в среде экосистемы.
И если бы растения и другие организмы в
конечном счёте не разлагались бы, запас
биогенных элементов исчерпался бы и жизнь
на Земле прекратилась.
Отсюда можно сделать вывод, что активность
гетеротрофов, и, в первую очередь,
организмов, функционирующих в детритных
цепях, — решающий фактор сохранения
круговорота биогенных элементов и,
следовательно, жизни на нашей планете.
Энергетический баланс консументов
Поглощенная пища обычно усваивается не
полностью. Неусвоенная 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% (некоторые
сапрофаги) до 75% и более (плотоядные
виды).
Схема пищевой цепи (поток энергии и
круговорот веществ) в экосистеме:
Е — потоки энергии; m — круговорот
вещества
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 и
углекислого газа, образующегося 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.
Передача энергии в химических реакциях в
организме происходит, согласно второму закону
термодинамики, с потерей части ее в виде тепла.
Особенно велики эти потери при работе
мышечных клеток животных, КПД которых очень
низок.
В конечном счете, вся энергия, использованная на
метаболизм, переходит в тепловую и
рассеивается в окружающем пространстве.
Траты на дыхание во много раз больше
энергетических затрат на увеличение массы
самого организма.
Конкретные соотношения зависят от стадии
развития и физиологического состояния особей.
ИТОГ
Основная часть потребляемой с пищей энергии идёт 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 организма —
предшественника в пищевой цепи.
Эти потери составляют около 10% при каждом акте
передачи энергии через трофическую цепь.
Следовательно, запас энергии, накопленный зелеными
растениями, в цепях питания стремительно иссякает.
Поэтому пищевая цепь включает обычно всего 4-5
звеньев.
Потерянная в цепях питания энергия может
быть восполнена только поступлением
новых ее порций.
Поэтому в экосистемах не может быть
круговорота энергии, аналогичного
круговороту веществ.
Экосистема функционирует только за
счёт направленного потока энергии
(постоянного поступления ее извне) в
виде солнечного излучения или готовых
запасов органического вещества.

19. Аккумуляция веществ организмами

Накопление загрязнителей в пищевых
цепях.
Накопление токсикантов в водной пищевой цепи
(по Stiegele Klee, из Stürmer)
На каждом следующим трофическом уровне
концентрация аккумулирующих веществ
возрастает. В итоге в тканях живых
организмов их содержание в тысячу раз выше,
чем в окружающей среде.

21. Спасибо за работу на уроке!

Движение вещества и энергии в экосистеме

Содержание

Введение

Потоки вещества и энергии в экосистемах

Деструкционные блоки в экосистемах

Проблемы биологической продуктивности

Пирамиды чисел, биомасс, энергии

Список литературы

Введение

«Любая единица (биосистема), включающая все совместно функционирующие организмы (биотическое сообщество) на данном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями, представляет собой экологическую систему, или экосистему» (Ю.Одум, 1986)

Главным предметом исследования при экосистемном подходе в экологии, становятся процессы трансформации вещества и энергии между биотой и физической средой, т.е. возникающий биохимический круговорот веществ в экосистеме в целом. Это позволяет дать обобщенную интегрированную оценку результатов жизнедеятельности сразу многих отдельных организмов многих видов, так как по биогеохимическим функциям, т.е. по характеру осуществляемых в природе процессов превращения вещества и энергии, организмы более однообразны, чем по своим морфологическим признакам и строению.

В настоящее время концепция экосистемы – это одно из наиболее главных обобщений биологии – играет весьма важную роль в экологии. Во многом этому способствовали два обстоятельства: во-первых, экология как наука созрела для такого рода обобщений и они стали жизненно необходимы, а во-вторых, сейчас как никогда остро встали вопросы охраны биосферы и теоретического обоснования природоохранных мероприятий, которые опираются, прежде всего, на концепцию биотических сообществ – экосистем.

Кроме того, распространению идеи экосистемы способствовала гибкость самого понятия, так как к экосистемам можно относить биотические сообщества любого масштаба с их средой обитания – от пруда до Мирового океана, от пня до обширного лесного массива, например, тайги.

Природные экосистемы – это открытые системы: они должны получать и отдавать вещества и энергию.

Запасы веществ, усвояемые организмами и, прежде всего, продуцентами, в природе не безграничны. Если бы эти вещества не использовались многократно, не были бы вовлечены в этот вечный круговорот, то жизнь на земле была бы вообще невозможна. Такой «бесконечный » круговорот биогенных компонентов возможен лишь при наличии функционально различных групп организмов, способных осуществлять и поддерживать поток веществ, извлекаемых ими из окружающей среды.

 

Движение вещества и энергии в экосистеме

Деятельность живых существ в биосфере сопровождается потреблением из среды их обитания больших количеств разнообразных органических и неорганических веществ. После отмирания организмов и последующей минерализации их органических остатков, высвободившиеся неорганические вещества вновь возвращаются во внешнюю среду. Так осуществляется биогенный (с участием живых организмов) круговорот веществ в природе, т.е. движение веществ между литосферой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Таким образом, под круговоротом веществ понимают повторяющийся процесс превращения и перемещения веществ в природе, имеющий более или менее выраженный циклический характер.

Круговорот веществ осуществляется при непрерывном потоке солнечной энергии.

В зависимости от движущей силы, с определенной долей условности, внутри круговорота веществ можно выделить геологический, биологический и антропогенный круговороты. До возникновения человека на земле осуществлялись только первые два. Геологический круговорот — круговорот веществ, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы. Геологический круговорот осуществляется без участия живых организмов. Биологический круговорот — круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов. Антропогенный круговорот (обмен) — круговорот (обмен) веществ, движущей силой которого является деятельность человека. В нем можно выделить две составляющие: биологическую, связанную с функционированием человека, как живого организма, и техническую, связанную с хозяйственной деятельностью людей (техногенный круговорот).

Круговорот веществ — основа бесконечности жизни на нашей планете. В нем принимают участие все живые организмы, осуществляя процессы питания, дыхания, выделения, размножения. Основой биогенного круговорота является солнечная энергия, которая поглощается фототрофными организмами и преобразовывается ими в первичное органическое вещество, доступное консументам. В ходе дальнейшей трансформации консументами разных порядков энергия пищи постепенно растрачивается, уменьшается. Поэтому устойчивость биосферы напрямую связана с постоянным притоком солнечной энергии.

В круговороте веществ принимают участие все живые организмы, поглощающие из внешней среды одни вещества и выделяющие в нее другие. Так, растения потребляют из внешней среды углекислый газ, воду и минеральные соли и выделяют в нее кислород. Животные вдыхают выделенный растениями кислород; поедая растения, усваивают синтезированные из воды и углекислого газа органические вещества и выделяют углекислый газ и непереваренные остатки пищи. При разложении бактериями и грибами отмерших растений и животных образуется дополнительное количество углекислого газа, а органические вещества превращаются в минеральные, которые попадают в почву или водоемы и снова усваиваются растениями. Таким образом, химические элементы постоянно совершают миграцию из одного организма в другой, из почвы, атмосферы и гидросферы — в живые организмы, а из них — в среду их обитания. Эти процессы повторяются бесконечное число раз, весь атмосферный кислород проходит через живое вещество за 2 тыс. лет, весь углекислый газ — за 200-300 лет.

Непрерывная циркуляция химических элементов в биосфере по более или менее замкнутым путям называется биогеохимическим циклом. Необходимость такой циркуляции объясняется ограниченностью их запасов на планете. Чтобы обеспечить бесконечность жизни, химические элементы должны совершать движение по кругу. Круговорот каждого химического элемента является частью общего грандиозного круговорота веществ на Земле, т.е. все круговороты тесно связаны между собой.

Круговорот веществ, как и все происходящие в природе процессы, требует постоянного притока энергии. Основой биогенного круговорота, обеспечивающего существование жизни, является солнечная энергия. Заключенная в органических веществах энергия, передаваемая по ступеням пищевой цепи, уменьшается, потому что значительная ее часть поступает в окружающую среду в виде тепла или же расходуется на осуществление процессов жизнедеятельности (например, мышечная работа, движение крови у животных, передвижение растворов минеральных и органических веществ, транспирация у растений). Поэтому через структурные единицы биосферы — биогеоценозы — осуществляется непрерывный поток энергии и ее преобразование. Таким образом, биосфера может быть устойчивой только при условии постоянного круговорота веществ и притока солнечной энергии.

Круговорот воды.Вода — самое распространенное вещество в биосфере. Основные ее запасы (около 95%) сосредоточены в виде солено-горькой воды морей и океанов. Остальные воды — пресные. Воды ледников и вечных снегов (т.е. вода в твердом состоянии) и подземные воды совместно составляют свыше 97% всех запасов пресной воды. Лишь незначительная часть пресных вод заключена в озерах, реках, болотах и атмосфере (в виде водяного пара).

Вода испаряется с поверхности морей и океанов и переносится от них воздушными потоками на различные расстояния. Большая часть испарившейся воды возвращается в виде дождя в океан, а меньшая — на сушу. С суши вода в виде водяного пара теряется также вследствие процессов испарения с ее поверхности и транспирации растениями. Вода переносится в атмосферу и в виде осадков возвращается на сушу или в океан. Одновременно с континентов в моря и океаны поступает речной сток воды.

Как видим, основу глобального круговорота воды в биосфере обеспечивают физические процессы, происходящие с участием Мирового океана. Роль живого вещества в нем, казалось бы, невелика. Однако на континентах масса воды, испаряемая растениями и поверхностью почвы, играет главную роль в круговороте воды. Масса воды, транспирируемая растительным покровом, весьма существенна. Так, 1 га леса испаряет примерно 20- 50 т воды в сутки. Роль растительного покрова заключается также в удержании воды путем замедления ее стока, в поддержании постоянства уровня грунтовых вод и др. В результате такие зоны суши функционируют как бы на собственном замкнутом водном балансе.

Круговорот углерода.Углерод — обязательный химический элемент органических веществ. Огромная роль в круговороте углерода принадлежит зеленым растениям. В процессе фотосинтеза углекислый газ атмосферы и гидросферы ассимилируется наземными и водными растениями, а также цианобактериями и превращается в углеводы. В процессе же дыхания всех живых организмов происходит обратный процесс: углерод органических соединений превращается в углекислый газ. В результате ежегодно в круговорот вовлекаются многие десятки миллиардов тонн углерода. Таким образом, два фундаментальных биологических процесса — фотосинтез и дыхание обусловливают циркуляцию углерода в биосфере.

Еще одним мощным потребителем углерода являются морские организмы. Они используют соединения углерода для построения раковин, скелетных образований. Из остатков отмерших морских организмов на дне морей и океанов образованы мощные отложения известняков.

Цикл обращения углерода не полностью замкнут. Углерод может выходить из круговорота на довольно длительный срок в виде залежей каменного угля, известняков, торфов, сапропелей, гумуса и др.

Отрегулированный круговорот углерода нарушает человек в ходе интенсивной хозяйственной деятельности. За счет сжигания огромного количества ископаемого топлива содержание углекислого газа в атмосфере за прошлое столетие возросло на 25% .

Круговорот азота.Азот — необходимый компонент важнейших органических соединений: белков, нуклеиновых кислот, АТФ и др. Основные его запасы сосредоточены в атмосфере в форме молекулярного азота, недоступного для растений, так как они способны использовать азот только в виде соединений.

Пути поступления азота в почву и водную среду различны. Так, небольшое количество азотистых соединений образуется в атмосфере во время гроз (вместе с дождевыми водами они поступают в водную или почвенную среду), а также выделяется при извержениях вулканов.

К прямой фиксации атмосферного молекулярного азота способны лишь некоторые прокариотические организмы: бактерии и цианобактерии. Значительную роль в обогащении азотистыми соединениями водной среды играют цианобактерии. Они могут развиваться в воде в массовом количестве, вызывая ее «цветение».

Азотсодержащие органические вещества отмерших растений и животных, а также мочевина и мочевая кислота, выделяемые животными и грибами, расщепляются гнилостными (аммонифицирующими) бактериям до аммиака. Основная масса образующегося аммиака окисляется нитрифицирующими бактериями до нитритов и нитратов, после чего вновь используется растениями. Некоторая часть аммиака уходит в атмосферу и вместе с углекислыми и другими газами участвует в создании парникового эффекта.

Различные формы азотистых соединений почвы и водной среды могут восстанавливаться некоторыми видами бактерий до оксидов и молекулярного азота. Этот процесс называется денитрификацией. Результатом его является обеднение почвы и воды соединениями азота и пополнение молекулярным азотом атмосферы.

Процессы нитрификации и денитрификации были сбалансированы вплоть до начала интенсивного использования человеком азотных минеральных удобрений в целях получения больших урожаев сельскохозяйственных растений. В настоящее время из-за использования громадных объемов таких удобрений наблюдается накопление азотистых соединений в почве, растениях, грунтовых водах.

Таким образом, роль живых организмов в круговороте азота является основной.

Круговорот фосфора.Большие запасы фосфора содержат горные породы. При разрушении эти породы отдают фосфор наземным экосистемам, однако часть фосфатов вовлекается в круговорот воды и уносится в море. Вместе с отмершими остатками фосфаты погружаются на дно. Одна часть из них используется, а другая теряется в глубинных отложениях. Таким образом, наблюдается несоответствие между потреблением фосфора и его возращением в круговорот.

Круговорот кислорода.Главным образом круговорот кислорода происходит между атмосферой и живыми организмами. Свободный кислород поступает в атмосферу в результате фотосинтеза зеленых растений, а потребляется в процессе дыхания животными, растениями и микроорганизмами, и при минерализации органических остатков. Незначительное количество кислорода образуется из воды и озона под воздействием ультрафиолетовой радиации. Большое количество кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при извержении вулканов и т. д. основная доля кислорода продуцируется растениями суши — почти ¾, остальная часть — фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Скорость круговорота — около 2 тыс. лет На промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23% кислорода, который образуется в процессе фотосинтеза, и эта цифра постоянно возрастает.

 

Потоки энергии и вещества в экосистемах (Реферат)

Потоки энергии и вещества в экосистемах

Любая жизнь требует постоянного притока энергии и вещества. Энергия расходуется на осуществление основных жизненных реакций, вещество идет на построение тел организмов. Существование природных экосистем сопровождается сложными процессами вещественно-энергетического обмена между живой и неживой природой. Эти процессы очень важны и зависят не только от состава биотических сообществ, но и от физической среды их обитания.

Поток энергии в сообществе это ее переход от организмов одного уровня к другому в форме химических связей органических соединений (пищи).

Поток (круговорот) вещества – перемещение вещества в форме химических элементов и их соединений от продуцентов к редуцентам и далее (через химические реакции, происходящие без участия живых организмов) вновь к продуцентам.

Круговорот вещества и поток энергии – не тождественные понятия, хотя нередко для измерения перемещения вещества используются различные энергетические эквиваленты (калории, килокалории, джоули). Отчасти это объясняется тем, что на всех трофических уровнях, за исключением первого, энергия, необходимая для жизнедеятельности организмов, передается в форме вещества потребленной пищи. Лишь растения (продуценты) могут непосредственно использовать для своей жизнедеятельности лучистую энергию Солнца.

Строгое измерение циркулирующего в экосистеме вещества можно получить, учитывая круговорот отдельных химических элементов, прежде всего тех, которые являются основным строительным материалом для цитоплазмы растительных и животных клеток.

В отличие от веществ, которые непрерывно циркулируют по разным блокам экосистемы и всегда могут вновь входить в круговорот, энергия может быть использована в организме только один раз.

Согласно законам физики энергия может переходить из одной формы (например, энергии света) в другую (например, потенциальную энергию пищи), но она никогда не создается вновь и не исчезает. Не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потери некоторой ее части. В своих превращениях определенное количество энергии рассеивается в виде тепла и, следовательно, теряется. По этой причине не может быть превращений, например пищевых веществ в вещества, из которых состоит тело организма, идущих со стопроцентной эффективностью.

Существование всех экосистем зависит от постоянного притока энергии, которая необходима всем организмам для поддержания их жизнедеятельности и самовоспроизведения.

Лишь около половины солнечного потока, падающего на зеленые растения, поглощается фотосинтетическими элементами, и лишь малая доля поглощенной энергии (от 1/100 до 1/20 части) запасается в виде энергии, необходимой для деятельности тканей растений.

По мере удаления от первичного продуцента скорость потока энергии (то есть количество энергии, выраженное в энергетических единицах, перешедшее с одного трофического уровня на другой) резко ослабевает.

Падение количества энергии при переходе с одного трофического уровня на более высокий определяет число самих этих уровней. Подсчитано, что на любой трофический уровень поступает лишь около 10% (или чуть более) энергии предыдущего уровня. Поэтому общее число трофических уровней редко превышает 3–4.

Соотношение живого вещества на разных трофических уровнях подчиняется в целом тому же правилу, что и соотношение поступающей энергии: чем выше уровень, тем ниже общая биомасса и численность составляющих его организмов.

Соотношение численности разных групп организмов дает представление об устойчивости сообщества, ведь биомасса и численность некоторых популяций являются одновременно и показателем жизненного пространства для организмов данного и других видов. Например, числом деревьев в лесу определяется не только общий запас заключенной в них биомассы и энергии, но и микроклимат, а также количество убежищ для многих насекомых и птиц.

Пирамиды численности могут быть перевернутыми. Это происходит, когда скорость воспроизводства популяции жертвы высока, и даже при низкой биомассе такая популяция может быть достаточным источником пищи для хищников, имеющих более высокую биомассу, но низкую скорость воспроизводства. Например, на одном дереве может жить и кормиться множество насекомых (перевернутая пирамида численности). Перевернутая пирамида биомассы свойственна водным экосистемам, где первичные продуценты (фитопланктонные водоросли) очень быстро делятся и умножаются в числе, а их потребители (зоопланктонные ракообразные) гораздо крупнее, но имеют длительный цикл воспроизводства.

Пастбищные и детритные цепи

Энергия может проходить через сообщество разными путями. Она представляет собой пищевую цепь всех консументов (консументную систему) с добавлением еще двух звеньев: это мертвое органическое вещество и пищевая цепь организмов-разлагателей (редуцентная система).

Поток энергии, идущий от растений через растительноядных животных (их называют пасущимися), называется пастбищной пищевой цепью.

Не использованные консументами остатки потребляемых ими организмов пополняют собой мертвое органическое вещество. Оно состоит из фекалий, содержащих часть неусвоенной пищи, а также трупов животных, остатков растительности (листьев, веток, водорослей) и называется детритом.

Поток энергии, берущий начало от мертвого органического вещества и проходящий через систему разлагателеи, называется детритнои пищевой цепью.

Наряду со сходством имеется глубокое различие в функционировании пастбищной и детритнои пищевых цепей. Оно состоит в том, что в кон-сументной системе фекалии и мертвые организмы теряются, а в редуцентной нет.

Рано или поздно энергия, заключенная в мертвом органическом веществе, будет полностью использована разлагателями и рассеяна в виде тепла при дыхании, даже если для этого ей потребуется несколько раз пройти через систему редуцентов. Исключением являются лишь те случаи, когда местные абиотические условия очень неблагоприятны для процесса разложения (высокая влажность, мерзлота). В этих случаях накапливаются залежи не полностью переработанного высокоэнергоемкого вещества, превращающегося со временем и при подходящих условиях в горючие органические ископаемые – нефть, уголь, торф.

Круговорот веществ в экосистеме

Целостность природных экосистем особенно отчетливо проявляется при рассмотрении циркулирующих в них потоков вещества. Вещество может передаваться по замкнутым циклам (кругооборотам), многократно циркулируя между организмами и окружающей средой.

Круговые передвижения (по земле, воздуху, воде) химических элементов (то есть веществ) называются биогеохимическими циклами или круговоротами.

Необходимые для жизни элементы и растворенные соли условно называют биогенными элементами (дающими жизнь) или питательными веществами. Среди биогенных элементов различают две группы: макротрофные вещества и микротрофные вещества.

Макротрофные вещества охватывают элементы, которые составляют химическую основу тканей живых организмов. Сюда относятся: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера.

Микротрофные вещества включают в себя элементы и их соединения, также очень важны для существования живых систем, но в исключительно малых количествах. Такие вещества часто называют микроэлементами. Это железо, марганец, медь, цинк, бор, натрий, молибден, хлор, ванадий и кобальт. Хотя микротрофные элементы необходимы для организмов в очень малых количествах, их недостаток может сильно ограничивать продуктивность.

Циркуляция биогенных элементов сопровождается обычно их химическими превращениями. Нитратный азот, например, может превращаться в белковый, затем переходить в мочевину, превращаться в аммиак и вновь синтезироваться в нитратную форму под влиянием микроорганизмов. В процессах денитрификации и фиксации азота принимают участие различные механизмы, как биологические, так и химические.

Запасы биогенных элементов непостоянны. Процесс связывания некоторой их части в виде живой биомассы снижает количество, остающееся в абиотической среде. И если бы растения и другие организмы в конечном счете не разлагались, запас биогенов исчерпался бы и жизнь на Земле прекратилась. Отсюда можно сделать вывод, что активность гетеротрофов, в первую очередь организмов, функционирующих в детритных цепях, решающий фактор сохранения круговорота биогенных элементов и образования продукции.

Глава 5 ~ Потоки и циклы питательных веществ — Экология

После завершения этой главы вы сможете:

  1. Объясните, что такое питательные вещества, и приведите примеры.
  2. Обсудите концепцию круговорота питательных веществ и опишите важные компартменты и потоки.
  3. Опишите факторы, влияющие на развитие основных типов почв.
  4. Опишите циклы углерода, азота, фосфора и серы.

Питательные вещества — это любые химические вещества, которые необходимы для правильного функционирования организмов.Мы можем выделить два основных типа питательных веществ: (1) неорганические химические вещества, которые необходимы автотрофным организмам для фотосинтеза и метаболизма, и (2) органические соединения, потребляемые в пищу гетеротрофными организмами. В этой главе рассматриваются неорганические питательные вещества.

Растения поглощают широкий спектр неорганических питательных веществ из окружающей среды, обычно в виде простых соединений. Например, большинство растений получают углерод в виде газообразного диоксида углерода (CO 2 ) из атмосферы, азот в виде ионов (заряженных молекул), нитрата (NO 3 -) или аммония (NH 4 +), их фосфор в виде фосфата (PO 4 3–), а их кальций и магний в виде простых ионов (Ca 2+ и Mg 2+ ).Ионы образуются в растворенном виде в почвенной воде, поглощаемой корнями растений. Растения используют эти различные питательные вещества в фотосинтезе и других метаболических процессах для производства всех биохимических веществ, необходимых для роста и воспроизводства.

Некоторые неорганические питательные вещества, называемые макроэлементами, необходимы растениям в относительно больших количествах. Это углерод, кислород, водород, азот, фосфор, калий, кальций, магний и сера. Углерод и кислород требуются в самых больших количествах, потому что углерод обычно составляет около 50% от сухой массы биомассы растений, а кислород несколько меньше.На водород приходится около 6% сухой биомассы растений, в то время как азот и калий присутствуют в концентрациях 1-2%, а кальций, фосфор, магний и сера составляют 0,1-0,5%. Микроэлементы необходимы в гораздо меньших количествах, и они включают бор, хлор, медь, железо, марганец, молибден и цинк. На каждый из них приходится менее 0,01% растительной биомассы и всего несколько частей на миллион (ppm, или 10–6; 1 ppm эквивалентна 0,0001%; ​​см. Приложение A).

Изображение 5.1. Продуктивность естественной экосистемы часто ограничивается поступлением питательных веществ. Это можно проверить, экспериментально добавив удобрение в систему. В этом случае азотные удобрения были внесены на луг в арктической тундре на острове Элсмир, что привело к повышению урожайности. Экспериментальный участок имеет немного более темный цвет. Источник: Б. Фридман.

Гетеротрофы получают необходимые им питательные вещества из пищи, которую они едят, которая может быть растительной биомассой (в случае травоядного животного), другими гетеротрофами (плотоядное животное) или и тем и другим (всеядным).Проглоченная биомасса содержит питательные вещества в различных органически связанных формах. Животные переваривают органические формы питательных веществ в кишечнике и усваивают их в виде простых органических или неорганических соединений, которые они используют для синтеза своих собственных необходимых биохимических веществ посредством различных метаболических процессов.

Хотя Земля получает небольшое количество материала в результате ударов метеоритов, эти внеземные поступления незначительны по сравнению с массой планеты. По сути, на глобальном уровне Земля представляет собой изолированную систему с материальной точки зрения.Как следствие этого факта, питательные вещества и другие материалы «циркулируют» внутри и между экосистемами. Напротив, энергия всегда «течет» через экосистемы и биосферу (Глава 4). Круговорот питательных веществ относится к переносу, химическим превращениям и повторному использованию питательных веществ в экосистемах. Бюджет питательных веществ — это количественная (числовая) оценка скорости поступления и выхода питательных веществ в экосистему и из нее, а также количеств, присутствующих и перемещаемых внутри системы.

Основные элементы цикла питательных веществ показаны на Рисунке 5.1. Внешняя граница диаграммы определяет границы экосистемы. (Он может даже представлять всю биосферу, и в этом случае не будет входов или выходов системы.) В экологических исследованиях система часто определяется как конкретный ландшафт, озеро или водораздел (наземный бассейн, из которого вода поступает). стекает в ручей или озеро). Каждая из этих систем имеет входы и выходы питательных веществ, уровень которых можно измерить.

Ящики внутри границы представляют собой отсеки, в каждом из которых хранится определенное количество материала.Размеры отсеков обычно выражаются в единицах массы на единицу площади поверхности. Примеры таких единиц — килограммы на гектар (кг / га) или тонны на гектар (т / га). В водных исследованиях размеры отсеков могут быть выражены на единицу объема воды (например, г / м 3 ). Стрелки на схеме представляют потоки или перенос материала между отсеками. Потоки представляют собой функции скорости и измеряются в единицах массы на единицу площади за время (например, кг / га-год).

Систему можно разделить на четыре основных сегмента:

  1. Атмосфера состоит из газов и небольших концентраций взвешенных частиц и водяного пара.
  2. Камни и почва состоят из нерастворимых минералов, которые напрямую не доступны для поглощения организмами.
  3. Доступные питательные вещества присутствуют в химических формах, которые до некоторой степени растворимы в воде, поэтому они могут поглощаться организмами из окружающей среды и вносить свой вклад в их минеральное питание.
  4. Органический отсек состоит из питательных веществ, присутствующих в живом и мертвом органическом веществе.Этот компартмент можно разделить на три функциональные группы: (а) живая биомасса автотрофов, таких как растения, водоросли и автотрофные бактерии, (б) живые гетеротрофы, включая травоядных, плотоядных, всеядных и детритоядных, и (в) и все формы мертвое органическое вещество.

Основные перемещения материала между отсеками или потоками также показаны на Рисунке 5.1. Это важные пути переноса в круговороте питательных веществ. Например, нерастворимые формы питательных веществ в горных породах и почве становятся доступными для поглощения организмами в результате различных химических превращений, таких как выветривание, которые делают питательные вещества растворимыми в воде.Это отменяется реакциями, которые производят нерастворимые соединения из растворимых. Эти последние реакции образуют вторичные минералы, такие как карбонаты (например, известняк, CaCO 3 и доломит, MgCO 3 ), оксиды железа и алюминия (Fe 2 O 3 и Al (OH) 3 ). , сульфиды (например, сульфид железа, FeS 2 ) и другие соединения, которые напрямую не доступны для биологического поглощения.

Рисунок 5.1. Концептуальная схема цикла питательных веществ.На этой диаграмме показаны основные элементы цикла питательных веществ для конкретной экосистемы, например водосбора. Каждый прямоугольник представляет собой отсек (атмосфера, почва и камни, органический материал и доступные питательные вещества), содержащий определенное количество материала. Стрелки представляют потоки или перенос материала между отсеками. Источник: на основе данных Likens et al. (1977).

Другие потоки в круговоротах питательных веществ включают биологическое поглощение питательных веществ из атмосферы или доступного резервуара в почве.Например, листва растений усваивает углекислый газ (CO 2 ) из воздуха, а корни поглощают ионы нитрата (NO 3 -) и аммония (NH 4 +), растворенные в почвенной воде. Затем растения метаболически фиксируют эти питательные вещества в своей растущей биомассе. Затем органические питательные вещества могут попасть в пищевую сеть и в конечном итоге откладываться в виде мертвой биомассы. Органические питательные вещества в мертвой биомассе рециркулируются в результате разложения и минерализации, которые восстанавливают запас доступных питательных веществ.

Эти концепции рассматриваются более подробно в следующих разделах.Первоначально мы исследуем почвенную экосистему, в которой круговорот питательных веществ происходит в основном в наземных средах обитания. Затем мы рассмотрим ключевые аспекты круговорота углерода, азота, фосфора и серы.

Почва представляет собой сложную и изменчивую смесь фрагментов горных пород, органического вещества, влаги, газов и живых организмов, которая покрывает почти все наземные ландшафты. Почва обеспечивает механическую поддержку роста даже для деревьев высотой до 100 м. Почва также хранит воду и питательные вещества для использования растениями и обеспечивает среду обитания для многих организмов, которые активны в разложении мертвой биомассы и повторном использовании содержащихся в ней питательных веществ.Почва является составной частью всех наземных экосистем, но сама по себе она также является динамичной экосистемой.

Почва в течение длительного времени развивается до зрелого состояния. По сути, почва происходит из так называемого исходного материала, который состоит из горных пород и минералов, которые встречаются в пределах метра или около того от поверхности. Исходные материалы на большей части территории Канады откладывались в результате ледниковых процессов, часто в виде сложной смеси, известной как тилль, которая содержит фрагменты горных пород различных размеров и минералогии.Однако в некоторых районах материнские материалы откладывались под огромными внутренними озерами, обычно в послеледниковые времена. Такие места обычно плоские и имеют однородные мелкозернистые почвы, по текстуре от глины до песка. (Частицы глины имеют диаметр менее 0,002 мм, а ил — от 0,002 до 0,05 мм, песок — от 0,05 до 2 мм, гравий — от 2 до 20 мм, а крупный гравий и щебень — более 20 мм.) текстурная классификация почвы по процентному содержанию частиц глины, ила и песка.

Рисунок 5.2. Текстурная классификация почв. Процентный состав частиц размером с глину, ил и песок используется для классификации почв на 12 основных типов, которые показаны. Источник: модифицировано из Foth (1990).

В других регионах материнский материал, известный как лёсс, получают из ила, перенесенного ветром из других мест. Из-за очень маленького размера частиц почва, богатая глиной, имеет огромную площадь поверхности, что придает ей важные химические свойства, такие как способность связывать многие ионы питательных веществ.

Характеристики основного материала имеют важное влияние на тип почвы, которая в конечном итоге образуется. Однако на развитие почвы также сильно влияют биологические процессы и климатические факторы, такие как осадки и температура.

Например, вода из осадков растворяет определенные минералы и уносит образующиеся ионы вниз. Этот процесс, известный как выщелачивание, изменяет химический и минералогический состав как поверхностных, так и более глубоких частей почвы.Кроме того, поступление подстилки (мертвой биомассы) растений увеличивает содержание органического вещества в почве. Свежая подстилка является пищевым субстратом для многих видов животных, обитающих в почве, грибов и бактерий-разлагателей. Эти организмы в конечном итоге окисляют органический мусор до двуокиси углерода, воды и неорганических питательных веществ, таких как аммоний, хотя некоторые вещества остаются в виде сложного органического вещества, известного как гумус. По мере развития почвы они принимают вертикальную стратификацию, известную как профиль почвы, которая имеет узнаваемые слои, известные как горизонты.С поверхности вниз основными горизонтами развитого почвенного профиля являются:

Почва, измененная под влиянием человека, может быть стратифицирована по-разному. На пашне, например, на поверхности образуется однородный пахотный слой (A p ) толщиной 15-20 см. Пахотный слой однороден по структуре, так как на протяжении многих лет неоднократно перемешивался. Кроме того, в почве сельскохозяйственных земель часто не хватает органических веществ, она уплотняется из-за многократного проезда тяжелой техники, ухудшается по структуре, концентрации питательных веществ и другим качествам, важным для ее способности поддерживать урожайность сельскохозяйственных культур.Эти предметы рассматриваются более подробно в главах 14 и 24.

Изображение 5.2. Почвы в природных экосистемах часто имеют вертикальную стратификацию. Обычно на поверхности есть богатые органикой горизонты, а внизу — богатые минералами. Эта почвенная «яма» была вырыта в бореальном лесу с преобладанием елей в Лабрадоре. Под более темным органическим поверхностным слоем находится светлый минеральный горизонт, из которого ионы железа и алюминия выщелачиваются вниз просачивающейся водой. Следующий красноватый слой — часть горизонта В, где отлагаются железо и алюминий.Светлый нижний слой является материнским материалом, который в данном случае представляет собой песок, отложившийся в реке Черчилль тысячи лет назад. Источник: Б. Фридман

.

Вообще говоря, почва в пределах определенного типа экосистемы, такой как тундра, хвойный лес, лиственный лес или прерия, имеет тенденцию развиваться особым образом. Почвы классифицируются по экологическим условиям, в которых они развивались. На самом высоком уровне классификации почвы разбиты на группы, называемые порядками, которые сами по себе могут быть разделены на более подробные сборки.Наиболее важные заказы на почву в Канаде:

Важность почвы

Почвенная экосистема чрезвычайно важна. Наземные растения получают воду и большую часть необходимых им питательных веществ из почвы, поглощая их корнями. Почва также является средой обитания для большого разнообразия животных и микроорганизмов, которые играют решающую роль в разложении подстилки и круговороте питательных веществ.

Почва имеет экономическое значение, поскольку она критически влияет на виды сельскохозяйственных культур, которые можно выращивать (эта тема рассматривается в главе 14).Некоторые из наиболее продуктивных сельскохозяйственных почв представляют собой аллювиальные отложения, обнаруженные вдоль рек и их дельт, где периодические наводнения и отложения ила приносят обильные запасы питательных веществ. Чернозем и брунизол, если они не слишком каменистые, также являются плодородными и полезными для сельского хозяйства. Большая часть земледелия прерий развита на черноземных почвах, в то время как большая часть плодородных сельскохозяйственных земель южного Квебека и Онтарио относится к типам брунизол.

Углерод — один из основных строительных блоков жизни и самый распространенный элемент в организмах, составляющий около половины типичной сухой биомассы.Ключевые аспекты глобального углеродного цикла представлены на Рисунке 5.3 (см. Также Главу 17 и Рисунок 17.1). Газообразный диоксид углерода (CO 2 ) является наиболее распространенной формой углерода в атмосфере, где он встречается в концентрации около 400 ppm (0,04%), хотя метан (CH 4 , 1,8 ppm) также имеет значение.

Рисунок 5.3. Модель глобального углеродного цикла. Углерод хранится в различных отсеках (атмосфера, органический материал, океаны и почва / горная порода) и перемещается из одного ящика в другой.Количество углерода в отсеках выражается в единицах миллиардов тонн углерода (10 9 т или гигатонн, Гт), а потоки между ними составляют 10 9 т / год. На основании данных Blasing (1985), Solomon et al. (1985) и Фридман (1995).

Атмосферный CO 2 является важным питательным веществом для фотосинтезирующих организмов, таких как растения и водоросли. Растения поглощают этот газ через крошечные поры (называемые устьицами) в своей листве, фиксируют его в простые сахара, а затем используют фиксированную энергию для поддержки своего дыхания и достижения роста и размножения.Биомасса автотрофов доступна для потребления гетеротрофами и прохождения через пищевые сети. Все организмы выделяют CO 2 в атмосферу в качестве побочного продукта своего респираторного метаболизма.

CO 2 также является наиболее распространенным выбросом, связанным с разложением мертвого органического вещества. Однако если этот процесс происходит в анаэробных условиях (в которых кислород, O 2 , отсутствует), то выделяются как CO 2 , так и CH 4 .Поскольку анаэробное разложение относительно неэффективно, мертвое органическое вещество часто накапливается в водно-болотных угодьях, таких как болота и трясины, в конечном итоге образуя торф. В подходящих геологических условиях: глубокое захоронение, высокое давление и температура, а также недостаток кислорода, торф и другие органические материалы могут медленно превращаться в богатые углеродом ископаемые виды топлива, такие как уголь, нефть и природный газ (см. Главу 13).

Атмосферный CO 2 также растворяется в океанической воде, образуя бикарбонат-ион (HCO 3 -), который может захватываться и фиксироваться фотосинтезирующими водорослями и бактериями, которые составляют основу морской пищевой сети.Различные морские организмы также используют океанический CO 2 и HCO 3 — для производства своих панцирей из карбоната кальция (CaCO 3 ), нерастворимого минерала, который медленно накапливается в отложениях и может со временем литифицироваться в известняк (также CaCO 3 ). ).

Практически на протяжении всего геологического времени количество CO 2 , поглощенное глобальной биотой из атмосферы, было таким же, как количество CO, выделяемого при дыхании и разложении. Следовательно, круговорот этого питательного вещества можно рассматривать как стационарную систему.Однако в наше время антропогенные выбросы изменили баланс углерода в атмосфере. Глобальные выбросы CO 2 и CH 4 в настоящее время превышают поглощение этих газов, дисбаланс, который привел к увеличению концентраций в атмосфере. Это явление, по-видимому, усиливает парниковый эффект Земли и приводит к глобальному потеплению (см. Главу 17).

Азот — еще одно важное питательное вещество для организмов, являющееся неотъемлемым компонентом многих биохимических веществ, включая аминокислоты, белки и нуклеиновые кислоты.Как и углеродный цикл, азот имеет важную атмосферную фазу. Однако, в отличие от углерода, азот не является важным компонентом горных пород и минералов. Следовательно, атмосферный резервуар играет первостепенную роль в круговороте азота (рис. 5.4).

Рисунок 5.4. Модель глобального цикла азота. Азот находится в трех основных частях: атмосфера, органический материал суши и органический материал океана. Количество азота, хранящегося в отсеках, выражается в миллионах тонн азота (10 6 т или мегатонн, Мт), а потоки — в 10 6 т / год.Основано на данных Hutzinger (1982) и Freedman (1995).

Практически весь азот в атмосфере присутствует в виде газообразного азота (N 2 , иногда называемого диазотом), концентрация которого составляет 78%. Другими газообразными формами азота являются аммиак (NH 3 ), оксид азота (NO), диоксид азота (NO 2 ) и закись азота (N 2 O). Эти следовые газы обычно присутствуют в атмосферных концентрациях намного ниже 1 ppm, хотя могут быть и большие количества вблизи источников антропогенных выбросов (см. Главу 16).Азот также присутствует в микрочастицах, содержащих нитрат (NO 3 -) и аммоний (NH 4 +), таких как нитрат аммония (NH 4 NO 3 ) и сульфат аммония ((NH 4 ) 2 SO 4 ), оба из которых могут быть значительными загрязнителями, связанными с кислотными дождями и дымкой (см. Главы 16 и 19).

Азот присутствует во многих дополнительных формах в наземных и водных средах. «Органический азот» относится к большому разнообразию азотсодержащих молекул в живой и мертвой биомассе.Эти химические вещества различаются по характеру от простых аминокислот, белков и нуклеиновых кислот до больших и сложных молекул, которые являются компонентами гумифицированного органического вещества. Азот в экосистемах также присутствует в небольшом количестве неорганических соединений, наиболее важными из которых являются газы N 2 и NH 3 , а также ионы нитрата, нитрита (NO 2 -) и аммония. Круговорот азота включает в себя преобразование и круговорот различных органических и неорганических форм азота в экосистемах.

Азотная фиксация

Поскольку два атома азота в газообразном диазоте удерживаются вместе прочной тройной связью, N 2 является крайне инертным соединением. По этой причине N 2 может непосредственно использоваться только несколькими специализированными организмами, хотя он чрезвычайно распространен в окружающей среде. Эти азотфиксирующие виды, все из которых являются микроорганизмами, обладают способностью метаболизировать N 2 в газ NH 3 , который затем может использоваться для их питания.Что еще более важно, NH 3 также становится косвенно доступным для подавляющего большинства автотрофных растений и микроорганизмов, которые сами не могут фиксировать N 2 .

Биологическая фиксация азота является критическим процессом — большинство экосистем зависит от него, чтобы обеспечить азот, поддерживающий их первичную продуктивность. Фактически, поскольку азот не является важным компонентом горных пород и минералов почвы, фиксация N 2 в конечном итоге отвечает за почти весь органический азот в биомассе организмов и экосистем по всей биосфере.Единственными другими значительными источниками фиксированного азота для экосистем являются атмосферные выпадения нитратов и аммония в виде осадков и пыли, а также поглощение газов NO и NO 2 растениями. Однако это, как правило, второстепенные источники по сравнению с биологической фиксацией N 2 .

Самыми известными из фиксирующих N 2 микроорганизмов являются бактерии, называемые Rhizobium, которые живут в специализированных клубеньках на корнях бобовых растений, таких как горох и бобы.Некоторые небобовые культуры, такие как ольха, также живут в благоприятном симбиозе (мутуализм; см. Главу 9) с N 2 -фиксирующими микроорганизмами. То же самое и с большинством лишайников, которые представляют собой мутуализм между грибами и водорослями. Многие другие микробы, фиксирующие N 2 , свободно обитают в почве или воде, например цианобактерии (сине-зеленые бактерии).

Небиологическая фиксация азота также происходит, например, во время грозы, когда атмосферный N 2 соединяется с O 2 в условиях сильной жары и давления.Люди также могут вызвать исправление N 2 . Например, азотные удобрения производятся путем объединения N 2 с газообразным водородом (H 2 , который производится из ископаемого топлива CH 4 ) в присутствии железных катализаторов с получением NH 3 . Кроме того, газ NO образуется в двигателях внутреннего сгорания транспортных средств, где N 2 соединяется с O 2 в условиях высокого давления и температуры. Большие количества NO выбрасываются в атмосферу с выхлопными газами транспортных средств, что способствует загрязнению воздуха (Глава 16).Антропогенная фиксация N 2 сейчас составляет около 120 миллионов тонн в год, около 83% из которых приходится на производство удобрений. Это глобально важный компонент современного азотного цикла, который по величине сопоставим с нечеловеческой фиксацией N 2 (около 170 миллионов тонн в год).

Изображение 5.3. Большинство видов семейства гороховых (Fabaceae), таких как эти соевые бобы, развивают мутуализм с бактериями Rhizobium. Rhizobium живут в клубеньках на корнях и связывают газообразный азот (N 2 ) в аммиак (NH 3 ), который растение может использовать в качестве питательного вещества.Источник: Патрикин Д.

Аммонификация и нитрификация

После смерти организма его органически связанный азот должен быть преобразован в неорганические формы; в противном случае рециркуляция фиксированного азота была бы невозможна (рис. 5.5). Начальной стадией этого процесса является аммонификация, при которой органический азот мертвой биомассы превращается в аммиак, который приобретает ион водорода (H + ) с образованием аммония (NH 4 +). Таким образом, аммонификация является составной частью сложного процесса разложения, но специфическим для азотного цикла.Аммонификацию проводят самые разные микроорганизмы. Полученный аммоний является подходящим источником питания для многих видов растений, особенно тех, которые живут в среде с кислой почвой. Однако большинство растений не могут эффективно использовать NH 4 +, и им требуется нитрат (NO 3 -) в качестве основного источника азотного питания.

Нитрификация — это процесс, при котором нитрат синтезируется из аммония. Первым шагом является преобразование NH 4 + в нитрит (NO 2 -), функция, выполняемая бактериями, известными как Nitrosomonas.Как только нитрит образуется, он быстро окисляется до нитрата бактериями Nitrobacter. Поскольку Nitrosomonas и Nitrobacter чувствительны к кислотности, нитрификация не происходит в кислой почве или воде. Вот почему растения, растущие в кислой среде обитания, должны иметь возможность использовать аммоний в качестве источника азота.

Рисунок 5.5. Важные преобразования фиксированного азота в экосистемах. На диаграмме показаны ключевые превращения азота среди его наиболее важных неорганических форм в почве и водных экосистемах.Источник: модифицировано из Freedman (1995).

Денитрификация

При денитрификации, также выполняемой множеством видов микробов, нитрат превращается в любой из газов N 2 O или N 2 , которые выбрасываются в атмосферу. Денитрификация происходит в анаэробных условиях, и ее скорость максимальна при высокой концентрации нитратов, например, на удобренных сельскохозяйственных землях, которые временно затоплены. В некоторых отношениях денитрификацию можно рассматривать как процесс, уравновешивающий азотфиксацию.Фактически, глобальные темпы фиксации азота и денитрификации находятся в приблизительном балансе, поэтому общее количество фиксированного азота в биосфере не сильно меняется с течением времени.

Фосфор является ключевым компонентом многих биохимических веществ, включая жиры и липиды, нуклеиновые кислоты, такие как генетические материалы ДНК и РНК, и молекулы, несущие энергию, такие как АТФ. Однако фосфор требуется организмам в гораздо меньших количествах, чем азот или углерод. Тем не менее, фосфора часто не хватает, поэтому он является важным питательным веществом во многих экосистемах, особенно в пресноводных и сельскохозяйственных.

В отличие от циклов углерода и азота, цикл фосфора не имеет значительной атмосферной фазы. Хотя соединения фосфора действительно присутствуют в атмосфере в виде следовых количеств в макрочастицах, их вклад в экосистемы невелик по сравнению с количествами, доступными из почвенных минералов или внесения удобрений в сельскохозяйственные земли. Фосфор имеет тенденцию перемещаться из наземного ландшафта в поверхностные воды, а затем в конечном итоге в океаны, где он откладывается в отложениях, которые действуют как долгосрочный сток.Хотя некоторые минералы фосфора в океанических отложениях в конечном итоге возвращаются на сушу в результате геологического подъема, связанного с горообразованием, это чрезвычайно медленный процесс и не имеет смысла в экологических временных масштабах. Следовательно, аспекты глобального цикла фосфора представляют собой проточную систему.

Тем не менее, определенные процессы действительно возвращают некоторое количество морского фосфора в части континентального ландшафта. Например, некоторые виды рыб проводят большую часть своей жизни в море, но мигрируют вверх по рекам для размножения.Когда их много, рыба, такая как лосось, привозит значительные количества органического фосфора в верховья рек, где он разлагается до фосфатов после нереста и гибели рыбы. Морские птицы, питающиеся рыбой, также играют важную роль в возвращении океанического фосфора на сушу через свои экскременты.

Почва является основным источником поглощения фосфора наземной растительностью. Ион фосфата (PO 4 3–) является наиболее важной формой доступного для растений фосфора.Хотя фосфат-ионы обычно присутствуют в почве в небольших концентрациях, они постоянно образуются из медленно растворяющихся минералов, таких как фосфаты кальция, магния и железа (Ca 3 (PO 4 ) 2 , Mg 3 (PO ) 4 ) 2 и FePO 4 ). Фосфат также образуется в результате микробного окисления органического фосфора, составляющего более общий процесс разложения. Водорастворимый фосфат быстро всасывается микроорганизмами и корнями растений и используется в синтезе широкого спектра биохимических веществ.

Водные автотрофы также используют фосфаты в качестве основного источника фосфорного питания. Фактически, фосфат обычно является наиболее важным фактором, ограничивающим продуктивность пресноводных экосистем. Это означает, что первичная продуктивность увеличится, если система удобряется фосфатом, но не при обработке источниками азота или углерода (если сначала не будет добавлено достаточное количество PO 4 3–; см. Главу 20). Озера и другие водные экосистемы получают большую часть фосфатов за счет стока с суши в их водосборных бассейнах, а также за счет рециркуляции фосфора из донных отложений и органического фосфора, взвешенного в толще воды.

Люди сильно влияют на глобальный цикл фосфора, добывая его для производства удобрений и применяя этот материал на сельскохозяйственных землях для повышения их продуктивности. Некоторое время основным источником фосфорных удобрений был гуано, высушенные экскременты морских птиц. Гуано добывают на островах, таких как прибрежные районы Чили и Перу, где гнездовые колонии морских птиц многочисленны, а климат сухой, что позволяет гуано накапливаться. Однако в течение двадцатого века залежи осадочных фосфатных минералов были обнаружены в нескольких местах, например в южной Флориде.Фосфор стал геологически сконцентрированным в осадочных отложениях в этих местах в результате осаждения морских организмов в течение миллионов лет. Эти месторождения сейчас разрабатываются для получения минерального фосфора, используемого для производства сельскохозяйственных удобрений. Однако, когда эти легко используемые месторождения полезных ископаемых истощатся, фосфор может оказаться ограничивающим фактором для сельскохозяйственного производства в недалеком будущем.

Ежегодно производится около 50 миллионов тонн фосфорных удобрений.Это очень важный вклад в глобальный цикл фосфора, учитывая, что, по оценкам, около 200 миллионов тонн фосфора в год естественным образом абсорбируются из почвы растительностью.

Изображение 5.4. Там, где много морских птиц-колоний, их экскременты (гуано) можно добывать как источник удобрений, богатых фосфором. Это вид на большую колонию рыбоядных бакланов гуанея (Phalacrocorax bougancillii) недалеко от Паракаса у побережья Перу. Высушенное гуано периодически очищают от камней и используют в сельскохозяйственных целях.Источник: Б. Фридман.

Проблемы окружающей среды 5.1. Слишком много хорошего — загрязнение питательными веществами
Питательные вещества необходимы для здорового метаболизма организмов и правильного функционирования экосистем. Часто увеличение поступления определенных питательных веществ повышает продуктивность диких и культурных растений — это принцип, лежащий в основе использования удобрений в сельском хозяйстве. Однако бывают также случаи, когда чрезмерное поступление питательных веществ вызывает серьезные экологические проблемы.

Поскольку наличие доступных форм азота (особенно NO 3 — и NH 4 +) часто является ограничивающим фактором для продуктивности сельского хозяйства, они, как правило, являются наиболее распространенными питательными веществами в удобрениях. Однако использование сельскохозяйственных удобрений может привести к концентрации NO 3 — в питьевой воде, которая достаточно высока, чтобы быть токсичной для человека, особенно для младенцев (см. Главу 24). Мы также знаем, что растения могут поглощать газообразный NO и N 2 O из атмосферы и использовать их в качестве питательных веществ вместе с NO 3 — и NH 4 + из атмосферных осадков и почвенной воды.Тем не менее, газообразный NO и N 2 O являются загрязнителями воздуха, если они встречаются в высоких концентрациях, особенно в солнечной среде, где они участвуют в фотохимическом производстве токсичного озона (см. Главу 16). Кроме того, большие количества NO 3 — и NH 4 + в дождь и снег могут способствовать возникновению кислотных дождей (см. Главу 19).

Есть и другие примеры экологических проблем, вызванных чрезмерным содержанием питательных веществ. Например, CO 2 является одним из наиболее важных питательных веществ для растений, поскольку углерод составляет около половины биомассы растений.Но это важное питательное вещество присутствует в относительно небольшой концентрации в атмосфере — всего около 0,04%. Однако концентрация CO 2 в атмосфере увеличилась примерно на 45% за последние два столетия и продолжает увеличиваться. Это хорошо задокументированное изменение способствует глобальному потеплению — важной экологической проблеме (см. Главу 17).

Эвтрофикация или чрезмерная продуктивность водоемов — еще одна экологическая проблема, связанная с чрезмерным поступлением питательных веществ.Чаще всего это вызвано превышением PO 4 3–, обычно из-за сброса сточных вод или стока с удобренных сельскохозяйственных земель (см. Главу 20). Высокоэвтрофные озера деградировали с экологической точки зрения и больше не могут использоваться в качестве источника питьевой воды или для отдыха.

Очевидно, эти примеры показывают, что существует прекрасный баланс между химическими веществами, которые служат полезными питательными веществами или вредными загрязнителями.

Сера является ключевым компонентом некоторых аминокислот, белков и других биохимических веществ.Сера богата некоторыми минералами и горными породами, а также присутствует в почве, воде и атмосфере.

Сера в атмосфере содержится в различных соединениях, некоторые из которых являются важными загрязнителями воздуха (см. Главу 16). Двуокись серы (SO 2 ), газ, выделяется в результате извержений вулканов, а также выделяется угольными электростанциями и плавильными заводами. SO 2 токсичен для многих растений при концентрациях ниже 1 ppm. В некоторых местах, например в районе Садбери, этот газ нанес серьезный экологический ущерб (глава 16).

В атмосфере SO 2 окисляется до аниона (отрицательно заряженный ион) сульфата (SO 4 2– ), который присутствует в виде крошечных частиц или растворяется во взвешенных каплях влаги. В этой форме отрицательный заряд сульфата должен уравновешиваться положительным зарядом катионов, таких как аммоний (NH 4 +), кальций (Ca 2 +) или ион водорода (H + , ключевой элемент. «кислотного дождя»; см. главу 19).

Сероводород (H 2 S), имеющий запах тухлых яиц, естественным образом выделяется из вулканов и глубоководных жерл.Он также выделяется из мест обитания, где органические соединения серы разлагаются в анаэробных условиях, и из бедных кислородом водных систем, где SO 4 2– восстанавливается до H 2 S. Диметилсульфид является еще одним восстановленным серы. газ, который производится в океанах и выбрасывается в атмосферу. В богатой кислородом среде, такой как атмосфера, H 2 S окисляется до сульфата, как и диметилсульфид, но медленнее.

Большинство выбросов SO 2 в атмосферу связаны с деятельностью человека, но почти все выбросы H 2 S являются естественными.Важным исключением являются выбросы H 2 S из скважин и перерабатывающих предприятий, например, в Альберте. В целом глобальные выбросы всех серосодержащих газов эквивалентны примерно 251 миллиону тонн серы в год. Около 41% этого выброса является антропогенным, а остальное — естественным (см. Главу 16).

Сера встречается в горных породах и почвах в различных минеральных формах, наиболее важными из которых являются сульфиды, которые встречаются в виде соединений с металлами.Сульфиды железа (такие как FeS 2 , называемые пиритом, когда они встречаются в виде кубических кристаллов) являются наиболее распространенными сульфидными минералами, но все тяжелые металлы (такие как медь, свинец и никель) могут существовать в этой минеральной форме. Везде, где сульфиды металлов подвергаются воздействию богатой кислородом среды, бактерия Thiobacillus thiooxidans окисляет минерал, образуя сульфат в качестве продукта. Эта автотрофная бактерия использует энергию этого химического превращения для поддержания своего роста и размножения.Такой вид первичной продуктивности называется хемосинтезом (параллельно с фотосинтезом растений). В местах, где окисляются большие количества сульфидов, с сульфатным продуктом связан высокий уровень кислотности, явление, называемое дренажем кислотных шахт (см. Главу 19).

Сера также присутствует в различных органически связанных формах в почве и воде. Эти соединения включают белки и другие серосодержащие вещества в мертвом органическом веществе. Почвенные микроорганизмы окисляют органическую серу до сульфата — иона, который растения могут использовать в своем питании.

Растения удовлетворяют свои потребности в питательных веществах серы, ассимилируя простые минеральные соединения из окружающей среды, в основном за счет поглощения сульфата, растворенного в почвенной воде, который поглощается корнями. В окружающей среде, где атмосфера загрязнена SO 2 , растения также могут поглощать этот газ своей листвой. Однако слишком большое поглощение может быть токсичным для растений — существует тонкая грань между SO 2 как питательным веществом для растений и как ядом.

Деятельность человека сильно повлияла на определенные потоки цикла серы.Серьезный ущерб окружающей среде был нанесен токсичностью SO 2 , кислотными дождями, дренажем кислотных шахт и другими проблемами, связанными с серой. Однако сера также является важным минеральным товаром, который широко используется в промышленности в производстве и в качестве сельскохозяйственных удобрений. Большая часть технической серы получается путем очистки «кислого» природного газа (метан, CH 4 ) от содержания H 2 S и удаления SO 2 из отходящих газов на металлургических заводах.

Питательные вещества — это химические вещества, которые необходимы для метаболизма организмов и экосистем.Если их будет недостаточно, экологическая продуктивность будет меньше, чем потенциально могла бы быть. Питательные вещества также могут присутствовать в избытке, и в этом случае ущерб окружающей среде может быть вызван токсичностью и другими проблемами. Питательные вещества регулярно проходят цикл между неорганическими и органическими формами внутри экосистем. Ключевые аспекты круговоротов питательных веществ иллюстрируются циклами углерода, азота, фосфора и серы.

  1. Каковы основные аспекты цикла питательных веществ? В своем ответе опишите роли отсеков и потоков.
  2. Как почва формируется из основного материала? Включите в свой ответ влияние физических и биологических процессов.
  3. Какие основные типы почв? Чем они отличаются?
  4. Каковы основные химические превращения в круговороте азота и на какие из них влияет влияние человека?
  1. Сравните и сопоставьте ключевые аспекты круговорота углерода, азота, фосфора и серы.
  2. Использование азотных и фосфорных удобрений имеет решающее значение для современного сельского хозяйства, однако эти материалы производятся из невозобновляемых ресурсов и, возможно, станут недоступны в будущем.Каковы были бы последствия для сельскохозяйственного производства, если бы эти удобрения стали более дорогими и менее доступными?
  3. Как ваша повседневная деятельность влияет на углеродный цикл?
  4. Если почва станет кислой, процесс нитрификации может прекратиться. Каковы последствия этого изменения для питания растений?
  1. Завод по очистке сточных вод подал заявку на разрешение сбросить богатый питательными веществами ил на близлежащие сельскохозяйственные угодья.Вас попросили разработать исследование, которое изучило бы влияние ила на круговорот азота и фосфора в агроэкосистеме. Какие ключевые переменные отклика следует измерять в ходе исследования? Какие эксперименты вы бы порекомендовали для изучения потенциального воздействия ила на круговорот питательных веществ и урожайность сельскохозяйственных культур?

Атлас, Р. и Р. Барта. 1998. Экология микробов: основы и приложения. 4-е изд. Бенджамин / Каммингс, Менло-Парк, Калифорния.

Близинг, Т.Дж. И К. Смит. 2007. Последние концентрации парниковых газов. Центр анализа информации по двуокиси углерода, Национальная лаборатория Ок-Ридж, Министерство энергетики США, Ок-Ридж, Теннесси. http://cdiac.ornl.gov/pns/current_ ghg.html

Боткин, Д. и Э.А. Келлер. 2014. Наука об окружающей среде: Земля как живая планета. 9 изд. Wiley & Sons, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.

Брэди, Северная Каролина и Р. Р. Вейль. 2007. Природа и свойства почв. 14-е изд. Прентис Холл, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.

Вольноотпущенник Б., J. Hutchings, D. Gwynne, J. Smol, R. Suffling, R. Turkington, R. Walker и D. Bazeley. 2014. Экология: канадский контекст. 2-е изд. Нельсон Канада, Торонто, Онтарио.

Hutzinger, O. (ed.) 1982. Справочник по химии окружающей среды. Спрингер-Верлаг, Нью-Йорк. Likens, G.E. и F.H. Bormann. 1999. Биогеохимия лесной экосистемы. 2-е изд. Спрингер-Верлаг, Нью-Йорк.

Маргулис, Л., К. Мэтьюз и А. Хазелтон. 2000. Эволюция окружающей среды. 2-е изд. MIT Press, Кембридж, Массачусетс.

Гипс, E.J. 2002. Почвоведение и управление. 3-е изд. Обучение Делмара Томсона, Флоренция, Кентукки.

Post, W.M., T. Peng, W.R. Emanual, A.W. Кинг, В.Х. Дейл и Д.Л. ДеАнгелис. 1990. Глобальный углеродный цикл. Американский ученый, 78: 310-26.

Schlesinger, W.H. 1997. Биогеохимия: анализ глобальных изменений. 2-е изд. Academic Press, Сан-Диего, Калифорния.

Циклы потока энергии и питательных веществ

Описывает определенный уровень пищевой цепи. Термин трофический относится к питанию .

В большинстве пищевых цепочек есть четыре важных уровня:

  • Производители: Организмы, которые преобразуют часть солнечной энергии в запасенную химическую энергию (обычно растения).
  • Первичные потребители: Организмы, получающие энергию от производителей-потребителей. Они травоядные.
  • Вторичные потребители: Организмы, получающие энергию, потребляя первичных потребителей. Они плотоядные.
  • Разлагатели: Эти организмы образуют конечную точку каждой пищевой цепи.Это бактерии или грибы, которые получают свою энергию, разрушая мертвые организмы с других трофических уровней.

Каждое описание трофического уровня описывает роль организмов в экосистеме. Организмы могут занимать более одного трофического уровня (например, действуя как всеядные животные).

Передача энергии между трофическими уровнями относительно неэффективна. Энергия передается с одного трофического уровня на другой по мере потребления организмов.

В первичных производителях основная энергия поступает за счет солнечной энергии.В растении не вся доступная солнечная энергия попадает в лист.

Имеется потеря энергии из-за , отражения от листа, передачи через лист, и потому что некоторая часть энергии — это неправильная длина волны .

Энергия, потребляемая производителем, тогда фиксируется фотосинтезом, хотя, опять же, часть этой энергии теряется, поскольку она расходуется во время фотосинтетических реакций.

Из энергии, которая зафиксирована в фотосинтезе, часть будет использована во время дыхания , в то время как оставшаяся энергия — это часть, которая включается в биомассу .Это энергия, включенная в биомассу, доступная для следующего трофического уровня.

В потребителе происходит еще одна серия потерь энергии. Потребитель получит определенное количество энергии с нижележащего трофического уровня.

Это потребление энергии не равно количеству энергии, доступной в биомассе этого организма, поскольку кормление — неэффективный процесс. Будет потеря энергии из-за выработки мочи и фекалий, а также из-за дыхания и потери тепла.Это оставляет часть потребляемой энергии для включения в биомассу.

Принято считать, что только около 10% энергии, полученной с предыдущего трофического уровня, передается на следующий уровень. Вся остальная энергия теряется, как описано выше. Это ограничивает количество трофических уровней в любой пищевой цепи.

Экологические пирамиды используются как инструмент для иллюстрации кормовых отношений организмов, которые вместе составляют сообщество.

Пирамида чисел

Это простейший способ проиллюстрировать кормящие отношения внутри сообщества.Самая распространенная форма показывает, что количество организмов, занимающих каждый трофический уровень, уменьшается от производителей к вторичным потребителям и далее.

Две проблемы с этой формой пирамиды заключаются в том, что задействованные числа могут быть огромными (сотни тысяч), а некоторые пирамиды могут быть перевернутыми.

Пирамида из биомассы

Это указывает на кормовые отношения между организмами, занимающими разные трофические уровни, по отношению к их биомассе.

Биомасса может быть измерена либо как влажная, либо как сухая масса. Измерение сухой массы является более точным, поскольку оно не включает переменное содержание воды в организмах.

Наиболее распространенная форма пирамиды биомассы показывает, что общая биомасса организмов, занимающих каждый трофический уровень, уменьшается от продуцентов к вторичным потребителям и далее.

По-прежнему существует проблема, заключающаяся в том, что пирамиду биомассы можно перевернуть, а также она не принимает во внимание изменения во времени.Отбор проб должен производиться в один момент времени и, следовательно, указывает на урожай на корню , а не на урожайность .

Пирамида энергии

Это наиболее точное представление о кормовых отношениях между организмами на разных трофических уровнях. Он учитывает прирост и потерю энергии за определенный период времени.

Они учитывают, как неорганические питательные вещества проходят цикл через различные трофические уровни и остаются постоянно доступными.

Углеродный цикл

Двуокись углерода в атмосфере и растворенная двуокись углерода в океанах являются основным источником абиотического углерода для организмов.

Углерод фиксируется из диоксида углерода путем фотосинтеза с образованием органических соединений , таких как углеводы, белки и липиды в продуцентах.

Затем фиксированный диоксид углерода поглощается первичными потребителями и передается вторичным потребителям и другим лицам.

Углерод может быть возвращен к своему абиотическому источнику посредством дыхания , сжигания ископаемого топлива, а также смерти и распада деструкторами .

Азотный цикл

Абиотический источник азота — атмосферный азот.

Азотфиксирующие бактерии превращают атмосферный азот в нитраты в почве через аммиак и нитриты .

Нитраты могут абсорбироваться из почвы растениями, которые превращают нитраты и включают азот в органических соединений азота .

Органические соединения азота передаются на другие трофические уровни через кормление .

Смерть и разложение растений и животных возвращает азот в почву в виде органических соединений азота.

Нитрифицирующие бактерии будут производить нитраты из этих органических соединений азота.

Денитрифицирующие бактерии способны возвращать азот к своему абиотическому источнику, превращая нитраты в газообразный азот.

Передача энергии в экосистемах | Национальное географическое общество

Живым существам нужна энергия, чтобы расти, дышать, воспроизводиться и двигаться.Энергия не может быть создана из ничего, поэтому она должна передаваться через экосистему. Основным источником энергии почти для каждой экосистемы на Земле является солнце. Первичные производители используют энергию солнца для производства своей собственной пищи в виде глюкозы, а затем первичные производители съедаются первичными потребителями, которые, в свою очередь, съедаются вторичными потребителями, и так далее, так что энергия течет с одного трофического уровня, или уровень пищевой цепи, к следующему. Самый простой способ продемонстрировать этот поток энергии — это пищевая цепочка.Каждое звено в цепи представляет новый трофический уровень, а стрелки показывают энергию, передаваемую по цепи. Внизу пищевой цепочки всегда находится первичный производитель. В наземных экосистемах большинство основных продуцентов — это растения, а в морских экосистемах — фитопланктон. Оба производят большую часть питательных веществ и энергии, необходимых для поддержки остальной части пищевой цепи в их соответствующих экосистемах.

Вся биомасса, производимая первичными производителями, называется валовой первичной продуктивностью.Чистая первичная продуктивность — это то, что остается после того, как первичный производитель использовал энергию, необходимую для дыхания. Это часть, которая доступна для потребления первичными потребителями и передается по пищевой цепочке. В наземных экосистемах первичная продуктивность наиболее высока в теплых влажных местах с большим количеством солнечного света, например в регионах тропических лесов. Напротив, пустыни имеют самую низкую первичную продуктивность. В морских экосистемах первичная продуктивность наиболее высока в мелководных водах, богатых питательными веществами, таких как коралловые рифы и водоросли.

Чтобы показать поток энергии через экосистемы, пищевые цепи иногда изображаются в виде энергетических пирамид. Каждая ступень пирамиды представляет другой трофический уровень, начиная с первичных продуцентов внизу. Ширина каждого шага представляет собой скорость потока энергии через каждый трофический уровень. Дальше по пирамиде ступени становятся меньше, потому что часть этой энергии превращается в форму, которая не может быть потреблена организмом на следующей более высокой ступени пищевой цепи. Это происходит на каждом этапе пирамиды.

Не вся энергия, генерируемая или потребляемая на одном трофическом уровне, будет доступна организмам на следующем более высоком трофическом уровне. На каждом уровне часть потребляемой биомассы выводится как отходы, часть энергии превращается в тепло (и, следовательно, становится недоступной для потребления) во время дыхания, а некоторые растения и животные умирают, не будучи съеденными (что означает, что их биомасса не передается на следующий уровень). потребитель). Отходы и мертвое вещество расщепляются деструкторами, а питательные вещества возвращаются в почву, чтобы снова усваиваться растениями, но большая часть энергии во время этого процесса превращается в тепло.В среднем только около 10 процентов энергии, запасенной в виде биомассы на трофическом уровне, передается с одного уровня на другой. Это известно как «правило 10 процентов» и ограничивает количество трофических уровней, которые может поддерживать экосистема.

Объяснение потока энергии через экосистему

Это известный факт, что экосистемы поддерживают себя за счет круговорота питательных веществ и энергии, которые они получают из нескольких внешних источников. Начнем с того, что первичные продуценты, такие как водоросли, некоторые бактерии и растения, на трофическом уровне используют энергию солнца для создания органического растительного материала в процессе фотосинтеза.

После этого травоядные или животные, которые питаются только растениями, становятся частью второго трофического уровня. Третий трофический уровень — это хищники, которые в конечном итоге поедают травоядных.

СВЯЗАННЫЕ С: ПОДЗЕМНАЯ ЭКОСИСТЕМА БОЛЬШЕ РАЗНООБРАЗНОГО, ЧЕМ ЖИЗНЬ НА ПОВЕРХНОСТИ

Кроме того, если есть еще более крупные хищники, они занимают более высокие трофические уровни. Точно так же организмы, такие как медведи гризли, которые едят и лосось, и ягоды, находятся на самом высоком трофическом уровне, поскольку питаются на нескольких трофических уровнях.

Источник: Thompsma / Wikimedia Commons

Затем идут разлагатели, в том числе грибы, бактерии, черви, насекомые, а также плесень, которые превращают все мертвые организмы и отходы в энергию. Происходит преобразование, чтобы вернуть питательные вещества туда, где они принадлежат, — в почву.

Вот, вкратце, как работает экосистема. Давайте теперь немного углубимся в вопрос, почему энергия не подлежит вторичной переработке!

Чтобы понять, почему невозможно переработать энергию, в первую очередь важно обратить внимание на работу экосистемы.Растения преобразуют солнечную энергию в свои корни, листья, стебли, плоды и цветы посредством фотосинтеза.

Затем организмы, потребляющие эти растения, используют накопленную энергию посредством дыхания для выполнения ряда повседневных дел. При этом часть энергии также теряется в виде тепла.

Проще говоря, организмы используют 90% энергии, которую они получают от растений, и поэтому, когда это продвигается на несколько шагов в пищевой цепочке, нет энергии для повторного использования.

Важно отметить, что передача энергии в экосистеме — довольно сложный процесс.Энергия необходима на всех уровнях пищевой цепи, как и питательные вещества.

Однако, когда энергия переходит к организму за организмом от исходных растений, она также расходуется и истощается, и в конечном итоге не остается ничего, что можно было бы переработать для образования большего количества энергии.

Энергия играет решающую роль в экосистемах по очевидной причине. Это помогает организмам оптимально выполнять свою повседневную деятельность. На планете существует потрясающее множество разнообразных экосистем, и процесс передачи энергии позволяет этим экосистемам естественным образом выполнять свои функции.Доступность энергии уменьшается по мере ее движения по континууму.

Источник: Swiggity.Swag.YOLO.Bro / Wikimedia Commons

Когда энергия входит в экосистему, передача энергии в основном зависит от того, какой организм питается другим организмом. Первичные производители, потребители, а также разлагатели играют свою роль в энергетическом цикле.

Все трое получают энергию от предыдущего шага пищевой цепочки для выполнения своих процессов. Здесь важно отметить, что в процессе разложения вся оставшаяся энергия экосистемы затем выделяется в виде тепла, а затем рассеивается.

Это также причина того, что садовая мульча и компостные кучи выделяют тепло. Таким образом, роль энергии не подлежит сомнению, когда речь идет об экосистемах.

Если бы не было энергии, не было бы вообще экосистемы.

Как упоминалось выше, энергия не может быть переработана, и она не перерабатывается в экосистеме. Напротив, он входит в экосистему и выходит из нее.

Но материя действительно перерабатывается в биосфере, и именно здесь материя и энергия движутся по-разному.Хотя энергия имеет односторонний поток, материя может повторно использоваться между экосистемами и внутри них.

Здесь также уместно отметить, что энергия не перерабатывается таким же образом, как атомы и питательные вещества. Он проникает в экосистему через солнце, а затем покидает экосистему, как только организмы в пищевой цепи и на различных трофических уровнях потребляют столько, сколько им нужно для выполнения своих естественных повседневных процессов.

Организмы выделяют эту энергию в форме тепла обратно в биосферу.Внутренняя часть Земли также является частью, откуда выделяется много энергии и откуда она поступает в экосистему. Таким образом, в двух словах, энергия преимущественно входит в биосферу и покидает ее.

Питательные вещества — это важные химические вещества, которые играют важную роль во всех типах экосистем. Они помогают организмам выжить, эффективно расти и разлагаться.

В этом контексте круговорот питательных веществ является важным экологическим процессом, который обеспечивает постоянное перемещение всех видов питательных веществ в живой организм из физической среды.После этого питательные вещества возвращаются обратно, и они попадают в физическую среду.

Стабильность и здоровье организмов в экосистеме в значительной степени зависят от стола и сбалансированного цикла питательных веществ, которые включают как живые, так и неживые факторы. Эти питательные циклы также включают экологические, химические, а также биологические взаимодействия и процессы.

Источник: Ханнес Гроб / Wikimedia Commons

Водород, углерод и кислород, возможно, являются наиболее часто используемыми неминеральными питательными веществами, которые существуют в экосистеме.Затем идут макроэлементы, такие как фосфор, азот, кальций, магний и калий.

СВЯЗАННЫЕ С: 11 НАИБОЛЬШИХ ЗАЩИТНЫХ МЕХАНИЗМОВ В ПРИРОДЕ

Каждое питательное вещество играет жизненно важную роль в круговороте, а также зависит от биологических возможностей, а также геологии организмов, реакций и химических процессов.

Как можно видеть, питательные вещества, энергия, а также организмы, существующие в экосистеме, зависят друг от друга, чтобы выполнять свои процессы для поддержания физической среды.Если хотя бы один из этих химических процессов или взаимодействий выйдет из строя, весь цикл будет нарушен, и возникнет огромный дисбаланс в естественном порядке вещей.

Экология экосистем | Безграничная биология

Динамика экосистемы

Экосистемы контролируются как внешними, так и внутренними факторами; они могут быть как устойчивыми, так и невосприимчивыми к нарушениям экосистемы.

Цели обучения

Объясните динамику экосистемы

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Биотические и абиотические факторы взаимодействуют посредством круговоротов питательных веществ и потоков энергии.
  • Внешние факторы контролируют ввод ресурсов и не зависят от самой экосистемы.
  • Внутренние факторы — это процессы, существующие в экосистеме, такие как разложение, сукцессия и типы присутствующих видов.
  • Находясь в равновесии, экосистема может оправиться от небольших изменений посредством отрицательной обратной связи, вернувшись в исходное состояние.
  • Сопротивление описывает способность экосистемы противостоять нарушениям динамики экосистемы.
  • Нарушение человеком экосистем может подавить устойчивость экосистемы, подрывая ее способность вернуться к равновесию.
Ключевые термины
  • устойчивость : скорость, с которой экосистема возвращается в исходное состояние после нарушения
  • равновесие : состояние системы, в которой конкурирующие влияния уравновешены, что не приводит к чистому изменению
  • сопротивление : тенденция системы оставаться близкой к своему состоянию равновесия, несмотря на возмущения

Динамика экосистемы

Экосистема — это сообщество живых организмов (растений, животных и микробов), существующих в сочетании с неживыми компонентами их окружающей среды (воздух, вода и минеральная почва), взаимодействующих как система.Эти биотические и абиотические компоненты связаны друг с другом посредством круговоротов питательных веществ и потоков энергии. Поскольку экосистемы определяются сетью взаимодействий между организмами или между организмами и окружающей их средой, они могут быть любого размера, но обычно охватывают определенные ограниченные пространства.

Внутренние и внешние факторы

Экосистемы — это динамические образования, контролируемые как внешними, так и внутренними факторами. Внешние факторы, такие как климат и исходный материал, образующий почву, контролируют общую структуру экосистемы и то, как в ней работают вещи, но сами на них экосистема не влияет.В то время как ввод ресурсов обычно контролируется внешними процессами, доступность этих ресурсов в экосистеме контролируется внутренними факторами, такими как разложение, корневая конкуренция или затенение. Другие внутренние факторы включают беспокойство, последовательность и типы присутствующих видов. Из года в год экосистемы претерпевают изменения в своей биотической и абиотической среде. Засуха, особенно холодная зима и нашествие вредителей — все это представляет собой краткосрочную изменчивость условий окружающей среды.Популяции животных меняются из года в год, увеличиваясь в периоды, богатые ресурсами, но падают из-за дефицита продовольствия.

Равновесие — это устойчивое состояние экосистемы, в котором все организмы находятся в равновесии со своей средой и друг с другом. В состоянии равновесия любые небольшие изменения в системе будут уравновешиваться отрицательной обратной связью, позволяя системе вернуться в исходное состояние.

Сопротивление и устойчивость

В экологии для измерения изменений в экосистемах используются два параметра: устойчивость и устойчивость.Сопротивление — это способность экосистемы оставаться в равновесии, несмотря на нарушения. Устойчивость — это скорость, с которой экосистема восстанавливается до равновесия после нарушения. Люди могут влиять на природу экосистемы до такой степени, что экосистема может полностью потерять свою устойчивость. В этих случаях внешние воздействия человека могут привести к полному разрушению или необратимому изменению равновесия экосистемы.

Вмешательство человека в равновесие экосистемы : Практика «огневого земледелия» аборигенов Австралии коренным образом изменила австралийские экосистемы.В результате долгой практики этой практики леса превратились в луга. В этом примере леса становились все менее и менее устойчивыми со временем, пока не изменилось фундаментальное равновесие системы.

Вирус Sin Nombre: динамика экосистемы в человеческой популяции

В 1993 году изменение динамики экосистемы вызвало вспышку заболевания среди населения. В мае 1993 года необъяснимая легочная болезнь поразила жителей юго-запада Соединенных Штатов в районе, разделяемом Аризоной, Нью-Мексико, Колорадо и Ютой, известном как «Четыре угла».Молодой, физически здоровый мужчина навахо, страдающий одышкой, был доставлен в больницу в Нью-Мексико и быстро скончался. После дальнейшего расследования государственные чиновники обнаружили еще пятерых молодых, здоровых людей, которые все умерли в результате острой дыхательной недостаточности.

Когда лабораторные тесты не смогли идентифицировать болезнь, ставшую причиной смерти, официальные лица здравоохранения штата Нью-Мексико уведомили Центры по контролю за заболеваниями (CDC), правительственное агентство США, ответственное за борьбу с потенциальными эпидемиями.Поскольку в последующие недели были зарегистрированы дополнительные случаи заболевания, врачи и ученые интенсивно работали над сокращением списка возможных причин. Вирусологи из CDC связали легочный синдром с вирусом — ранее неизвестным типом хантавируса. Хантавирус стал известен как Sin Nombre , вирус «без названия». ”

Sin Nombre hantavirus : после серии внезапных смертей в 1993 году ученые в районе Четырех углов на юго-западе США поспешили определить причину.Они выделили ранее неизвестный хантавирус, вызывающий легочную недостаточность или хантавирусный легочный синдром (HPS). Новый вирус получил название Sin Nombre, или вирус без названия. «

Хотя они определили вирус как причину заболевания, исследователи не поняли, как он передается. Исследователи отловили и исследовали грызунов, которые жили в домах жертв и вокруг них, и обнаружили, что почти 30% мышей-оленей были инфицированы хантавирусом Sin Nombre. Вирус передавался людям через помет мышей в виде аэрозоля, и резкое увеличение популяции мышей-оленей привело к увеличению показателей инфицирования людей.

В районе Четырех углов до начала 1993 года наблюдалась засуха, когда выпали сильные снегопады и дожди. Окончание засухи вызвало рост растительности, в частности, производства орехов пинон. В связи с внезапным увеличением запасов пищи местная популяция оленьих мышей резко увеличилась и размножалась так быстро, что в мае 1993 года было в десять раз больше мышей, чем в мае 1992 года. Более высокая популяция мышей-оленей означала больше мышиного помета и больше возможностей. для передачи хантавируса человеку.

Динамика экосистемы может повлиять на человеческое население : В районе Четырех Углов уже несколько лет наблюдается засуха. В начале 1993 года из-за дождей увеличилось количество растительности, что привело к увеличению местной популяции оленьих мышей. Хантавирус заразил большую популяцию оленьих мышей и быстро передался людям через аэрозольный помет мышей.

В рамках усилий по обнаружению источника вируса исследователи обнаружили и исследовали хранящиеся образцы ткани легких людей, умерших от необъяснимой болезни легких.Некоторые из этих образцов показали доказательства предыдущего заражения вирусом Sin Nombre, что указывает на то, что более ранние случаи заболевания не были выявлены. Коренные американцы навахо признают подобное заболевание в своих медицинских традициях и связывают его возникновение с мышами.

Пищевые цепочки и пищевые сети

Пищевая сеть описывает поток энергии и питательных веществ через экосистему, а пищевая цепь — это линейный путь через пищевую сеть.

Цели обучения

Различать пищевые цепи и пищевые сети как модели потока энергии в экосистемах

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Организмы можно разделить на трофические уровни: первичный производитель, первичный потребитель, вторичный потребитель и третичный потребитель или потребитель более высокого порядка.
  • Энергия уменьшается на каждом последующем трофическом уровне, предотвращая более четырех или пяти уровней в пищевой цепи.
  • Экосистема обычно имеет два разных типа пищевых сетей: пастбищную пищевую сеть, основанную на фотосинтезирующих растениях или водорослях, а также детритную пищевую сеть, основанную на разложителях (таких как грибы).
  • Существуют различные типы пищевых сетей, включая пастбищные пищевые сети на основе фотосинтезирующих растений (таких как водоросли) или детритные пищевые сети на основе разложителей (таких как грибы).
Ключевые термины
  • детритофаги : организм, питающийся детритом; декомпозитор
  • пищевая цепь : кормовые отношения между видами в биотическом сообществе; линейный путь через пищевую сеть
  • трофический уровень : определенная позиция, занимаемая группой организмов в пищевой цепи (первичный производитель, первичный потребитель, вторичный потребитель или третичный потребитель)

Пищевые цепи и пищевые сети

В экологии пищевая сеть описывает пищевые связи между организмами в биотическом сообществе.И энергия, и питательные вещества проходят через пищевую сеть, проходя через организмы, когда они потребляются организмом, находящимся над ними в пищевой сети. Единственный путь энергии через пищевую сеть называется пищевой цепочкой.

Трофические уровни

Каждый организм в пищевой сети можно классифицировать по трофическому уровню в соответствии с их положением в сети. В зависимости от местоположения организма в пищевой сети он может быть сгруппирован более чем в одну из этих категорий. Энергия и питательные вещества перемещаются вверх по трофическим уровням в следующем порядке:

  1. Первичные производители
  2. Первичные потребители
  3. Вторичные потребители
  4. Третичные и прочие потребители высокого уровня

И в пищевых цепях, и в пищевых цепях стрелки указывают от организма, который потребляется, к организму, который его потребляет.Во многих экосистемах нижняя часть пищевой цепи состоит из фотосинтезирующих организмов, таких как растения или фитопланктон, известных как первичные продуценты. Организмы, которые потребляют первичных продуцентов, являются травоядными животными: основными потребителями. Вторичными потребителями обычно являются плотоядные животные, которые поедают основных потребителей, в то время как третичные потребители — плотоядные животные, которые едят других плотоядных животных. Потребители более высокого уровня питаются на следующих более низких трофических уровнях и так далее, вплоть до организмов на вершине пищевой цепи, которые называются потребителями вершины.Некоторые линии в пищевой сети могут указывать на более чем один организм; эти организмы могут занимать разные трофические уровни в зависимости от их положения в каждой пищевой цепи в сети.

Пищевая сеть : Эта пищевая сеть показывает взаимодействия между организмами на разных трофических уровнях в экосистеме озера Онтарио. Первичные производители обведены зеленым, первичные потребители — оранжевым, вторичные потребители — синим, а третичные (верхние) потребители — фиолетовым. Креветки опоссума питаются как первичными производителями, так и первичными потребителями; таким образом, он является одновременно первичным и вторичным потребителями.

Потеря энергии на тропических уровнях

Редко можно найти пищевые цепи, содержащие более четырех или пяти звеньев, потому что потеря энергии ограничивает длину пищевых цепей. На каждом трофическом уровне большая часть энергии теряется из-за биологических процессов, таких как дыхание или поиск пищи. Только энергия, которая непосредственно ассимилируется потребляемой массой животного, будет переведена на следующий уровень, когда это животное будет съедено. Следовательно, после ограниченного количества передач трофической энергии количество энергии, остающейся в пищевой цепи, не может поддерживать более высокий трофический уровень.Хотя энергия теряется, питательные вещества перерабатываются через отходы или разложение.

Пищевая цепь : Это трофические уровни пищевой цепи в озере Онтарио. Энергия и питательные вещества текут от фотосинтезирующих зеленых водорослей внизу к лососю наверху пищевой цепи. В этой цепочке всего четыре звена, потому что между каждым последующим трофическим уровнем теряется значительная энергия.

Ученый по имени Ховард Т. Одум продемонстрировал потерю энергии на каждом трофическом уровне в экосистеме Силвер-Спрингс, Флорида, в 1940-х годах.Он обнаружил, что первичные производители выработали 20 819 ккал / м 2 / год (килокалорий на квадратный метр в год), первичные потребители выработали 3368 ккал / м 2 / год, вторичные потребители выработали 383 ккал / м 2 / год, а третичные потребители выработали только 21 ккал / м 2 / год. На каждом последующем трофическом уровне энергия, доступная следующему уровню, значительно уменьшалась.

Энергия уменьшается на трофический уровень. : Показана относительная энергия на трофических уровнях в экосистеме Силвер-Спрингс, Флорида.Каждый трофический уровень имеет меньше доступной энергии и поддерживает меньшее количество организмов на следующем уровне.

Типы пищевых сетей

Два основных типа пищевых сетей часто взаимодействуют в рамках одной экосистемы. Например, в основе пастбищной пищевой сети есть растения или другие фотосинтезирующие организмы, за которыми следуют травоядные и различные плотоядные животные. Обломочная пищевая сеть состоит из основы организмов, которые питаются разлагающимся органическим веществом (мертвыми организмами), называемыми разложителями или детритофагами.Эти организмы обычно представляют собой бактерии или грибы, которые перерабатывают органический материал обратно в биотическую часть экосистемы, поскольку сами потребляются другими организмами. Поскольку все экосистемы нуждаются в методе вторичного использования материала мертвых организмов, большинство пищевых сетей на пастбищах имеют связанную детритную пищевую сеть. Например, в экосистеме луга растения могут поддерживать пастбищную пищевую сеть различных организмов, первичных и других уровней потребителей, в то же время поддерживая детритную пищевую сеть из бактерий, грибов и беспозвоночных, питающихся мертвыми растениями и животными. .

Изучение динамики экосистемы

Для изучения динамики экосистемы используется множество различных моделей, включая целостные, экспериментальные, концептуальные, аналитические и имитационные модели.

Цели обучения

Различия между концептуальными, аналитическими и имитационными моделями динамики экосистемы и исследованиями мезокосма и микрокосма

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Целостная модель экосистемы позволяет количественно оценить динамику всей экосистемы.
  • Ученые могут использовать экспериментальные системы, такие как микрокосмы или мезокосмы, для изучения экосистем в контролируемых лабораторных условиях.
  • Концептуальная модель использует блок-схемы, чтобы показать взаимодействия между живыми и неживыми компонентами экосистемы.
  • Аналитическая модель использует простые математические формулы для прогнозирования воздействия нарушений окружающей среды на структуру и динамику экосистемы.
  • Имитационная модель предсказывает последствия нарушений окружающей среды с помощью сложных компьютерных алгоритмов; они обычно являются довольно надежными предикторами.
Ключевые термины
  • мезокосм : небольшая часть естественной среды, помещенная в контролируемые условия для экспериментальных целей
  • микрокосм : искусственная упрощенная экосистема, которая используется для моделирования и прогнозирования поведения естественных экосистем в контролируемых условиях

Исследования динамики экосистемы: эксперименты и моделирование экосистемы

Динамика экосистемы — это исследование изменений в структуре экосистемы, вызванных нарушениями окружающей среды или внутренними силами.Динамика экосистемы измеряется различными исследовательскими методологиями. Некоторые экологи изучают экосистемы с помощью контролируемых экспериментальных систем, а некоторые изучают экосистемы целиком в их естественном состоянии; другие используют оба подхода.

Модель целостной экосистемы

Целостная модель экосистемы пытается количественно оценить состав, взаимодействие и динамику целых экосистем. Пищевая сеть — это пример целостной модели экосистемы, которая является наиболее репрезентативной для экосистемы в ее естественном состоянии.Однако этот тип исследования ограничен временем и расходами, а также его ограниченной осуществимостью для проведения экспериментов на крупных природных экосистемах.

Экспериментальные системы

По этим причинам ученые изучают экосистемы в более контролируемых условиях. Экспериментальные системы обычно включают в себя либо разделение части естественной экосистемы, которая может быть использована для экспериментов, называемую мезокосмом, либо полное воссоздание экосистемы в лабораторных условиях в помещении или на открытом воздухе, что называется микрокосмом.Основным ограничением этих подходов является то, что удаление отдельных организмов из их естественной экосистемы или изменение естественной экосистемы путем разделения может изменить динамику экосистемы. Эти изменения часто происходят из-за различий в количестве и разнообразии видов, но также и из-за изменений окружающей среды, вызванных разделением (мезокосм) или воссозданием (микрокосм) естественной среды обитания. Таким образом, эти типы экспериментов не полностью предсказывают изменения, которые могут произойти в экосистеме, из которой они были собраны.

Мезокосм : Теплицы вносят свой вклад в исследования мезокосма, потому что они позволяют нам управлять окружающей средой и, таким образом, экспериментом. Мезокосмы в этом примере, растения томатов, были помещены в теплицу, чтобы контролировать воздух, температуру, воду и распределение света, чтобы наблюдать эффекты при воздействии различных количеств каждого фактора.

Поскольку оба этих подхода имеют свои ограничения, некоторые экологи предполагают, что результаты этих экспериментальных систем следует использовать только в сочетании с целостными исследованиями экосистем для получения наиболее репрезентативных данных о структуре, функциях и динамике экосистем.

Модели экосистемы

Ученые используют данные, полученные в результате этих экспериментальных исследований, для разработки моделей экосистем, демонстрирующих структуру и динамику экосистем. В исследованиях и управлении экосистемами обычно используются три основных типа экосистемного моделирования: концептуальные модели, аналитические модели и имитационные модели.

Концептуальная модель состоит из блок-схем, показывающих взаимодействие различных частей живых и неживых компонентов экосистемы.Концептуальная модель описывает структуру и динамику экосистемы и показывает, как экологические нарушения влияют на экосистему, хотя ее способность предсказывать последствия этих нарушений ограничена.

Аналитические и имитационные модели — это математические методы описания экосистем, которые способны предсказывать последствия потенциальных изменений окружающей среды без прямого экспериментирования, хотя и с ограниченной точностью. Аналитическая модель создается с использованием простых математических формул для прогнозирования воздействия нарушений окружающей среды на структуру и динамику экосистемы.

Имитационная модель создается с использованием сложных компьютерных алгоритмов для целостного моделирования экосистем и прогнозирования воздействия экологических нарушений на структуру и динамику экосистемы. В идеале эти модели достаточно точны, чтобы определять, какие компоненты экосистемы особенно чувствительны к нарушениям. Они могут служить руководством для менеджеров экосистем (например, экологов-экологов или биологов-рыболовов) в практическом поддержании здоровья экосистемы.

Моделирование динамики экосистемы

Концептуальные модели описывают структуру экосистемы, а аналитические и имитационные модели используют алгоритмы для прогнозирования динамики экосистемы.

Цели обучения

Сравнить и сопоставить концептуальные, аналитические и имитационные модели динамики экосистемы

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Концептуальные модели часто представляют собой блок-схемы, демонстрирующие взаимосвязи между различными организмами в сообществе и их окружающей средой, включая передачу энергии и питательных веществ.
  • Аналитические модели используют математические уравнения для прогнозирования и описания простых линейных компонентов экосистем, таких как пищевые цепи.
  • В имитационных моделях используются компьютерные алгоритмы для прогнозирования динамики экосистемы; они считаются наиболее экологичными и точными.
Ключевые термины
  • концептуальная модель : модель, которая представлена ​​концептуальными представлениями взаимоотношений между различными организмами в сообществе и окружающей их средой
  • аналитическая модель : модель, которая лучше всего работает при работе с относительно простыми (часто линейными) системами, особенно с теми, которые могут быть точно описаны набором математических уравнений, поведение которых хорошо известно
  • имитационная модель : модель, в которой используются математические алгоритмы для прогнозирования сложных реакций в динамике экосистемы

Концептуальные модели

Концептуальные модели полезны для описания структуры и динамики экосистемы, а также для демонстрации взаимоотношений между различными организмами в сообществе и их окружающей средой.Концептуальные модели обычно изображаются графически в виде блок-схем. Организмы и их ресурсы сгруппированы в определенные отсеки со стрелками, показывающими взаимосвязь и передачу энергии или питательных веществ между ними. Эти схемы иногда называют моделями отсеков.

Концептуальная модель энергии : Эта концептуальная модель показывает поток энергии через весеннюю экосистему в Силвер-Спрингс, Флорида. Обратите внимание, что энергия уменьшается с каждым повышением трофического уровня.Концептуальные модели полезны для описания структуры экосистемы, но ограничены из-за их плохого прогнозирования изменений экосистемы.

Для моделирования круговорота минеральных питательных веществ органические и неорганические питательные вещества подразделяются на биодоступные (готовые к включению в биологические макромолекулы) и неорганические. Например, в наземной экосистеме около месторождения угля углерод будет доступен растениям этой экосистемы в виде углекислого газа в краткосрочный период, а не из самого богатого углеродом угля.Однако в течение более длительного периода микроорганизмы, способные переваривать уголь, будут включать его углерод или выделять его в виде природного газа (метан, CH 4 ), превращая этот недоступный органический источник в доступный.

Сжигание человеком ископаемых видов топлива ускоряет это преобразование за счет выброса в атмосферу большого количества диоксида углерода, который может внести большой вклад в повышение уровней диоксида углерода в атмосфере в индустриальную эпоху. Углекислый газ, выделяемый при сжигании ископаемого топлива, производится быстрее, чем фотосинтезирующие организмы могут его использовать, в то время как количество фотосинтезирующих деревьев уменьшилось из-за вырубки лесов во всем мире.Большинство ученых согласны с тем, что концентрация двуокиси углерода в атмосфере является основной причиной глобального изменения климата.

Аналитические и имитационные модели

Концептуальные модели ограничены; они плохо предсказывают последствия изменений видов экосистемы и / или окружающей среды. Экосистемы — это динамические образования, подверженные множеству абиотических и биотических нарушений. В этих случаях ученые часто используют аналитические или имитационные модели. Эти модели предсказывают, как экосистемы восстанавливаются после нарушений, возвращаясь в состояние равновесия.Поскольку большинство экосистем подвержены периодическим нарушениям и часто находятся в состоянии изменений, они обычно либо движутся в сторону нескольких состояний равновесия, либо удаляются от них. Поскольку воздействие человека может значительно и быстро изменить состав видов и среду обитания в экосистеме, ученым крайне важно разработать модели, которые предсказывают, как экосистемы реагируют на эти изменения.

Аналитические модели

Аналитические модели обычно лучше всего работают с относительно простыми линейными системами; в частности, те, которые могут быть точно описаны набором математических уравнений, поведение которых хорошо известно.Это математически сложные модели, которые хорошо предсказывают компоненты экосистем, такие как пищевые цепи. Однако их точность ограничена упрощением сложных экосистем.

Имитационные модели

Как и аналитические модели, имитационные модели используют сложные алгоритмы для прогнозирования динамики экосистемы. Однако сложные компьютерные программы позволили имитационным моделям предсказывать реакции в сложных экосистемах. В имитационных моделях используются численные методы для решения проблем, аналитические решения которых непрактичны или невозможны.Такие модели, как правило, используются более широко. Они обычно считаются более экологически реалистичными, в то время как аналитические модели ценятся за их математическое изящество и объяснительную силу. Эти модели считаются наиболее точными и позволяют прогнозировать динамику экосистемы.

Экосистема

Экосистема

Экосистема :

Экосистема — это совокупность живых организмов, их физических окружающей среды, и все их взаимосвязи в определенной единице космос.

Принципы, лежащие в основе изучения экосистем, основаны на считают, что все элементы жизнеобеспечивающей среды любого размер, будь то естественный или искусственный, являются частями единой сети в котором каждый элемент прямо или косвенно взаимодействует со всеми другие и влияет на функцию в целом. Все экосистемы содержится в самой большой из них — экосфере, которая охватывает всю физическую Землю (геосферу) и все ее биологические компоненты (биосфера).

Экосистему можно разделить на абиотические составляющие: включая минералы, климат, почву, воду, солнечный свет и другие неживые элементы и его биотические составляющие, состоящие из всех его живые члены. Связывание этих составляющих вместе — два основных силы: поток энергии через экосистему и круговорот питательные вещества в экосистеме.

Фундаментальный источник энергии почти во всех экосистемах излучает свет. энергия солнца. Энергия солнечного света используется автотрофные или самоподдерживающиеся организмы экосистемы.Состоящий из в основном из зеленой растительности, эти организмы способны фотосинтез — то есть они могут использовать энергию солнечного света для преобразования углекислый газ и вода в простые, богатые энергией углеводы. В автотрофы используют энергию, запасенную в простых углеводах, для производят более сложные органические соединения, такие как белки, липиды, и крахмалы, поддерживающие жизненные процессы организмов. В автотрофный сегмент экосистемы обычно называют уровень производителя.

Органическое вещество, прямо или косвенно генерируемое автотрофами поддерживает гетеротрофные организмы.Гетеротрофы — потребители экосистема; они не могут приготовить себе еду. Они используют, переставляют, и в конечном итоге разложить сложные органические материалы, образованные автотрофы. Все животные и грибы — гетеротрофы, как и большинство других. бактерии и многие другие микроорганизмы.

Вместе автотрофы и гетеротрофы образуют различные трофические (кормление) уровни в экосистеме: уровень производителя, состоящий из те организмы, которые сами производят пищу; уровень первичного потребителя, состоит из тех организмов, которые питаются продуцентами; в уровень вторичного потребителя, состоящий из тех организмов, которые питаются первичные потребители; и так далее.Движение органического вещества и энергия от уровня производителя через различные уровни потребителей делает вверх по пищевой цепочке. Например, типичная пищевая цепочка на пастбище может быть трава (производитель) мышь (основной потребитель) змея (вторичный потребитель) ястреб (третичный потребитель). Собственно, в во многих случаях пищевые цепи экосистемы перекрываются и взаимосвязаны, образуя то, что экологи называют пищевой цепью. Последнее звено во всей еде цепочки состоят из разложителей, тех гетеротрофов, которые разрушаются мертвые организмы и органические отходы.Пищевая цепочка, в которой основной кормление потребителя живыми растениями называется пастбищной тропой; что в который основной потребитель питается мертвыми растениями, известен как детритный путь. Оба пути важны для учета энергетический бюджет экосистемы.

По мере того, как энергия перемещается по экосистеме, большая ее часть теряется на каждом этапе. трофический уровень. Например, только около 10 процентов энергии хранится в траве, входит в тело мыши, которая ест трава. Остальные 90 процентов хранятся в соединениях, которые не может быть сломан мышью или теряется в виде тепла во время метаболические процессы мыши.Происходят потери энергии аналогичной величины на каждом уровне пищевой цепочки; следовательно, несколько пищевых цепочек выходят за пределы пяти элементов (от производителя через декомпозиционер), потому что энергия, доступная на более высоких трофических уровнях, слишком мала, чтобы поддержать дальнейших потребителей.

Поток энергии через экосистему приводит в движение питательные вещества в экосистеме. Питательные вещества — это химические элементы и соединения, необходимые живым организмам. В отличие от энергии, которая постоянно теряется из экосистемы, питательные вещества циркулируют через экосистема, колеблющаяся между биотическими и абиотическими компонентами в так называемых биогеохимических циклах.Основные биогеохимические циклы включают водный цикл, углеродный цикл, кислородный цикл, азотный цикл, цикл фосфора, цикл серы и цикл кальция. Декомпозиторы играют ключевую роль во многих из этих циклов, возвращая питательные вещества в почву, вода или воздух, где они снова могут быть использованы биотическими составляющие экосистемы.

Упорядоченная замена одной экосистемы другой — это процесс известное как развитие экосистемы или экологическая сукцессия. Преемственность возникает, когда стерильная область, такая как бесплодная скала или поток лавы, сначала колонизированы живыми существами или когда существующая экосистема нарушено, как когда лес уничтожен пожаром.Последовательность экосистемы обычно проходят в две фазы. Ранний, или рост, фаза характеризуется экосистемами, которые имеют немногочисленные виды и короткие пищевые цепи. Эти экосистемы относительно нестабильны, но очень продуктивны, в том смысле, что они быстрее накапливают органическое вещество чем они его ломают. Экосистемы более поздних или зрелых фазы более сложны, разнообразнее и стабильнее. Финал, или кульминации, экосистема характеризуется большим разнообразием виды, сложные пищевые сети и высокая стабильность.Основной поток энергии перешла с производства на техническое обслуживание.

Вмешательство человека в развитие экосистем широко распространено. Например, земледелие — это преднамеренное содержание незрелого экосистема — высокопродуктивная, но относительно нестабильная. Надлежащее управление экосистемами для оптимального производства продуктов питания должно искать компромисс между характеристиками молодых и зрелых экосистемы, и следует учитывать факторы, влияющие на взаимодействие природных циклов. Краткосрочное производство можно максимизировать, добавив энергия для экосистемы в виде выращивания и оплодотворение.Однако такие усилия могут препятствовать эффективному использованию энергии. использовать в долгосрочной перспективе, вызывая дисбаланс питательных веществ, увеличение количества загрязняющих веществ или повышенная восприимчивость к растениям заболевания как следствие интенсивного инбридинга сельскохозяйственных культур.

Хотя осознание взаимозависимости человеческого общества и его окружение уже занимало видное место в античной философии и религия, формулировка основных принципов системной экологии как научная дисциплина возникла в конце 19 века.В течение во второй половине 20 века изучение экосистем стало становится все более изощренным и теперь играет важную роль в оценке и контроль воздействия сельскохозяйственного развития и индустриализация на окружающую среду. Например, на фермах показали, что оптимальное долгосрочное производство пастбищ требует умеренный график выпаса, чтобы обеспечить постоянное обновление влажность и содержание питательных веществ в почве и подчеркнули необходимость для стратегий многоцелевого использования при возделывании пахотных земель.Системная экология занимается последствиями накопили инсектициды и предоставили способ мониторинга климатические эффекты атмосферной пыли и углекислого газа, выделяемого сжигание ископаемого топлива (например, угля, нефти и природного газа). Это помог определить численность населения региона и способствовали развитию методов рециркуляции, которые могут стать необходим для будущего взаимодействия человечества с окружающей средой.

Выдержка из Британской энциклопедии без разрешения.

Food Web: концепция и применение

Каин, М. Л., Боуман, В. Д. и Хакер, С. Д. Экология . Сандерленд, Массачусетс: Партнер Синауэра Inc. 2008.

Cebrian, J. Узоры в судьбе производство в растительных сообществах. Американский натуралист 154 , 449-468 (1999)

Cebrian, J. Роль потребителей первого порядка в потоке углерода экосистемы. Письма по экологии 7 , 232-240 (2004)

Элтон, К.С. Экология животных . Чикаго, Мичиган: University of Chicago Press, 1927, переиздано в 2001 году.

Knight, T. M., et al. Трофические каскады экосистем. Природа 437 , 880-883 (2005)

Кребс, К. Дж. Экология 6 th изд. Сан-Франциско КА: Пирсон Бенджамин Каммингс, 2009.

Маркиз, Р. Дж. И Уилан, К. Насекомоядные птицы увеличивают рост белого дуба за счет поедания листо-жевательных насекомых. Экология 75 , 2007-2017 (1994)

Molles, M. C. Jr. Экология: концепции и Заявки 5 изд. Новый Йорк, Нью-Йорк: Макгроу-Хилл Высшее образование, 2010 г.

Пейн, Р. Т. Взаимодействие Писастер-Тегула: хищники, пищевые предпочтения хищников и структура сообщества приливов. Экология 60 , 950-961 (1969)

Пейн, Р. Т. Сложность пищевой сети и видовое разнообразие. Американский натуралист 100 , 65-75 (1966)

Пейн, Р.T. Пищевые сети: связь, сила взаимодействия и инфраструктура сообщества. Журнал экологии животных 49 , 667-685 (1980)

Пимм, С. Л., Лоутон, Дж. Х. и Коэн, Дж. Э. Пищевая сеть закономерности и их последствия. Природа 350 , 669-674 (1991)

Power, M. E. Силы сверху вниз и снизу вверх в пищевых сетях: есть ли у растений первенство? Экология 73 , 733-746 (1992)

Schoender, T. W. Пищевые сети от малых к большому. Экология 70 , 1559-1589 (1989)

Шурин, Дж.