Круговорот веществ и потоки энергии в экосистемах

 

 

 

 

 

 

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СОЦИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Представительство в г. Рязани

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ  РАБОТА

 

по курсу

 

«ЭКОЛОГИЯ»

 

Тема:  Круговорот веществ

и потоки энергии в экосистемах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы БУХ-2

Иванова Г.А.

 

                                 Проверил:

                                                                                                            

 

 

 

Рязань- 2007

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Каждый организм живет в определенной природной среде. Его предки за многие миллионы лет развития нашей планеты приспосабливались к своему окружению – другим растениям, животным, климату, почве, температуре и влажности воздуха, солености воды. У них вырабатывался свой способ питания, привычка к той или иной пище, система защиты от неблагоприятных условий.

Внешний облик животных и растений, функции отдельных их органов соответствуют определенным условиям жизни. Копыта лошади, антилопы приспособлены к быстрому бегу по открытым пространствам с плотным, твердым грунтом. Копыта серн, горных козлов – к прыжкам и передвижению по скалам. А копыта лося и северного оленя способны разъезжаться, увеличивая площадь опоры, и зверь, как на лыжах, как на лыжах, легко передвигается по болоту или глубокому снегу.

Обтекаемая форма тела рыбы, морской черепахи, кита, продиктованная законами гидродинамики, помогает быстро плавать. Крылья птиц, насекомых, летучих мышей сотни лет совершенствовались природой по правилам аэродинамики.

Все внутренние и внешние органы, в том числе сигнализации, ориентации, обнаружения, наступления, защиты, рассчитаны на конкретные условия, в которых существует организм, на его образ жизни. Чем быстрей тот или иной вид может реагировать на меняющиеся условия, приспосабливаясь к ним, тем он более жизнестоек, тем успешнее выдерживает конкуренцию с другими видами.

Но живые организмы не только приспосабливаются к окружающим условиям – они, в свою очередь, влияют не эти условия, и часто очень сильно. В процессе фотосинтеза растения изменяют состав воздуха: вырабатываемым ими кислородом дышат животные и другие организмы. Корни растений выделяют кислоты, растворяющие минеральные вещества, тем самым ускоряется процесс разрушения и выветривания горных пород и образования почвы. В местах своего обитания растения регулируют круговорот воды, удерживая ее в почве и испаряя избыток в атмосферу. Сложное сообщество растений и животных вместе с неживой природой (местом своего существования) образует экосистему.

Таким образом: Экосистема = Биотоп (физико-химическое окружение)+ Биоценоз (сообщество живых организмов).

Экосистема – основная функциональная единица в экологии, в неё входят и организмы, и неживая среда – компоненты, взаимно влияющие на свойства друг друга и необходимые для поддержания жизни в той её форме, которая существует на Земле.

Живые компоненты экосистемы можно разделить на три части:

Продуценты- производители первичной продукции (зеленые растения), консументы – первичные (растительноядные) животные, вторичные (плотоядные) животные и.т.д., редуценты (разрушители) – обычно грибы и микроорганизмы, разлагающие органические соединения отмерших организмов до неорганических, которые вновь используются продуцентами для построения своего тела.

Термин «экосистема» вошёл в употребление в 1935 году. Английский ботаник А.Тэнсли писал, что «в экосистему входит не только комплекс организмов, но и весь комплекс физических факторов, образующих то, что мы называем средой биома…Хотя главным интересующим нас объектом могут быть организмы, когда мы пытаемся проникнуть в самую суть вещей, мы не можем отделить организмы от их особой среды, в сочетании с которой они образуют некую физическую систему».

Упоминания о единстве организмов и среды (а также человека и природы) можно найти в самых древних памятниках истории…Примерно на рубеже XIX-XX веков биологи начали серьёзно рассматривать идею о том, что природа функционирует как целостная система. И когда усилиями Берталанфи (1950, 1968) и других исследователей была разработана общая теория систем, началось развитие нового количественного направления – экологии экосистем.

Основоположниками его были такие экологи, как Хатчинсон, Маргалеф, Уатт, Пэттен, Ван Дайн, Г.Одум…

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Классификация и структура экосистем

 

Экосистемы можно классифицировать по их функциональным или структурным признакам. Пример функциональной классификации – деление, основанное на количестве и качестве поступающей энергии. Источник и качество доступной энергии в той или иной степени определяют видовой состав и численность организмов, характер функциональных процессов, протекающих в экосистеме, и процессов её развития.

Поскольку энергия – исходная движущая сила всех экосистем, то на этой основе можно выделить 4 функциональных типа экосистем:

• Природные, движимые Солнцем, несубсидируемые (открытые океаны, высокогорные леса)

Основа системы жизнеобеспечения планеты.

• Природные, движимые Солнцем, субсидируемые другими естественными источниками. (эстуарии в приливных морях, некоторые дождевые леса) 
  Природные системы, обладающие естественной плодородностью, производящие излишки органического вещества, которые могут выноситься в другие системы или накапливаться.
• Движимые Солнцем и субсидируемые человеком. (агроэкосистемы, аквакультура) 
  Системы, производящие продукты питания и волокнистые материалы и получающие дотации в форме горючего, поставляемого человеком.
• Индустриально-городские, движимые топливом. (города, пригороды, индустриализованные зелёные зоны)

Главным источником энергии здесь служит не Солнце, а топливо. Эти системы зависят от экосистем первых трёх типов, паразитируют на них, получая продукты питания и топливо.

Широко используется классификация по биомам, основанная на типе растительности и основных стабильных физических чертах ландшафта. Наземные биомы выделяют по естественным или исходным чертам растительности. А типы водных экосистем выделяют по геологическим и физическим особенностям. Можно выделить около 17 основных биотических сообществ, поддерживающих жизнь на Земле. (по Ю. Одуму, 1986 г.)

Таким образом, можно выделить следующие  экосистемы

Наземные (биомы):

• Тундра
• Тайга
• Широколиственные леса
• Степи
• Пустыни
• Саванны

Пресноводные экосистемы

• Лентические (стоячие воды): озёра, пруды
• Лотические (текучие) воды: реки, ручьи
• Болота
• Водохранилища
• Заболоченные леса

Морские экосистемы

• Открытый океан
• Воды континентального шельфа (прибрежные воды)
• Районы апвеллинга (плодородные районы с продуктивным рыболовством)
• Эстуарии (прибрежные бухты, проливы, устья рек, солёные марши
• Глубоководные
• Рифтовые зоны

  В любой экосистеме следует выделить несколько составляющих ее компонентов. Первый из них — неорганические вещества (углерод, кислород, азот, углекислый газ, вода и т.д.). Затем следуют органические соединения (белки, липиды (жиры), углеводы и др.), являющиеся связующим звеном между живой (биотической) и неживой (абиотической) частями экосистемы. К важным ее элементам относятся и физические факторы абиотической среды (температура, влажность, давление и др.). Биотическая часть экосистемы состоит из живых организмов, подразделяющихся на три основные категории:

1) Продуценты — организмы, поддерживающие свою жизнедеятельность, путем производства из неорганических веществ органические при помощи химической реакции фотосинтеза, для осуществления которой необходим приток световой энергии.

2) Консументы — живые существа, поедающие другие организмы или частицы органичекого вещества и, таким образом, обеспечивающие себя необходимой энергией.

3) Редуценты — организмы, питающиеся останками растений и животных (т.е. органическим веществом) и разлагающие их до простых минеральных веществ, которые могут легко усваиваться продуцентами.

Причем продуценты называют автотрофами, так как они самостоятельно вырабатывают органическое вещество, а консументы и редуценты относятся к гетеротрофам, то есть к организмам, потребляющим готовое органическое вещество. Продуценты, консументы и редуценты образуют собой так называемую биомассу. Совокупность всех  данных элементов складывают собой структуру экосистемы.

 

 

Круговорот веществ и потоки энергии в экосистемах

 

 

Бесконечное взаимодействие абиотических факторов и живых организмов экосистемы сопровождается непрерывным круговоротом вещества между биотопом и биоценозом в виде чередующихся то органических, то минеральных соединений. В каждой экосистеме происходит круговорот вещества как результат экофизиологической взаимосвязи автотрофов и гетеротрофов. Различные виды организмов из этих групп непрерывно ищут и поглощают вещества, необходимые им для роста, поддержания жизни и воспроизводства, и выбрасывают в окружающую среду более или менее сложные продукты метаболизма, минеральные и органические. Углерод, водород, азот, сера, фосфор и ещё около 30 простых веществ, необходимых для создания жизни клетки, непрерывно превращаются в органические вещества (глициды, липиды, аминокислоты) или поглощаются в виде неорганических ионов автотрофными организмами, впоследствии используются гетеротрофными, а затем – микроорганизмами. Последние разлагают выделения, животные и растительные остатки на растворимые минеральные элементы или газообразные соединения, которые возвращаются в почву, воду и атмосферу.

Таким образом, различные биогенные элементы непрерывно циркулируют: растворяясь в континентальных поверхностных водах, выносятся в моря или попадают в атмосферу, а между этими средами происходит постоянный газообмен.

Под термином «биогеохимический круговорот» подразумевают обмен химических элементов между живыми организмами и неорганической средой, различные стадии которого происходят внутри экосистемы.

 Огромное значение в природе отводится круговороту следующих веществ: воды, углерода, кислорода, азота, серы, фосфора.

 

 

КРУГОВОРОТ ВОДЫ

 

и его главные компоненты в глобальном масштабе

 

(Количества воды во всех фондах  и перемещающиеся количества  воды (цифры в скобках) выражены  в миллиардах миллиардов (1018 ) граммов в год, из Ф. Рамад, 1979)

 

 

 

 

В процессе протекания круговорота воды, происходит испарение влаги с поверхности водоемов и уход ее в воздушную среду, после чего она переносится потоками воздуха на большие расстояния. В дальнейшем, вода выделяется из атмосферы посредством осадков. Часть из них растворяют горные породы и таким образом делают содержащиеся в их составе соединения доступными для усвоения продуцентами. Благодаря атмосферным осадкам также образуется фонд грунтовых вод. Вода потребляется также живыми организмами. Особое внимание следует акцентировать на том, что водоемы с испарением теряют больше воды, чем получают с осадками. Кроме того, в результате деятельности человека сокращается пополнение грунтовых вод. Следовательно, вода является трудновосполнимым ресурсом, требующим очень рационального использования.

 

 

 

 

 

 

 

 

КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА

(Smith, 1971)

 

 

 

Углерод имеет исключительное значение для живого вещества. Из углерода в экосистеме создаются миллионы органических соединений. Углерод из углекислого газа атмосферы в процессе фотосинтеза, осуществляемого  растениями, ассимилируется и превращается в органические соединения растений, а затем и животных. На следующем этапе круговорота органическая масса в результате дыхания и разложения превращается в углекислый газ или оседают в виде органических отложений (например, торфа) которые, в свою очередь, дают начало многим другим соединениям — каменным углям, нефти. В активном круговороте углекислый газ Û живое вещество участвует очень небольшая часть всей массы углерода. Огромное количество углекислоты законсервировано в виде ископаемых известняков и других пород.

Между углекислым газом атмосферы и водой океана существует подвижное равновесие. Организмы поглощают углекислый кальций, создают свои скелеты, а затем из них образуются пласты известняков. Атмосфера пополняется углекислым газом благодаря процессам разложения органических веществ, карбонатов и т.д. Особенно мощным источником являются вулканы, газы которых состоят главным образом из паров воды и углекислого газа,

 

КРУГОВОРОТ КИСЛОРОДА

 

(Cloud, 1970)

 

 

 

 

 

 

КРУГОВОРОТ АЗОТА

 

 

 

 

 

Резервный фонд круговорота азота сосредоточен в атмосфере. Атмосферный азот, благодаря деятельности азотофиксирующих бактерий, а также посредством атмосферных явлений, попадает в почву или воду в виде соединений с другими элементами (т.н. нитратов). Затем азот усваивается продуцентами, а после и консументами. При разложении деструкторами мертвого органического вещества и вместе с продуктами выделения животных, в почвенной и водной средах  происходит накопление азотосодержащего газа аммиака. В дальнейшем, под воздействием различных бактерий, азот либо снова попадает в атмосферу, либо в составе нитратов оказывается в почве и воде. Причем растворенные в воде нитраты могут оседать на дне водоемов, и в этом случае азот, содержащийся в них, выпадает из круговорота веществ.