Поняття про біологічний круговорот речовин. Життєдіяльність екосистеми і круговорот речовин в ній можливі лише за умови постійного припливу енергії. Основне джерело енергії на Землі - сонячне випромінювання. Енергія Сонця перекладається фотосинтезуючими організмами в енергію хімічних зв'язків органічних сполук. Передача енергії по харчових ланцюгах підпорядковується другим законом термодинаміки: перетворення одного виду енергії в інший йде з втратою частини енергії. При цьому її перерозподіл підпорядковується суворої закономірності: енергія, що отримується екосистемою і засвоюється продуцентами, розсіюється або разом з їх біомасою необоротно передається консументам першого, другого і т.д. порядків, а потім редуцентам з падінням потоку енергії на кожному трофічному рівні. У зв'язку з цим кругообігу енергії не буває.
На відміну від енергії, яка використовується в екосистемі тільки один раз, речовини використовуються багаторазово через те, що їх споживання і перетворення відбувається по колу. Цей круговорот здійснюється живими організмами екосистеми (продуцентами, консументами, редуцентами) і називається біологічним кругообігом речовин. Подбіологіческім кругообігом розуміється надходження хімічних елементів з грунту і атмосфери в живі організми, перетворення в них надходять елементів в нові складні з'єднання і повернення їх в грунт і атмосферу в процесі життєдіяльності.
Екологічні системи суші і Світового океану пов'язують і перерозподіляють сонячну енергію, вуглець атмосфери, вологу, кисень, водень, фосфор, азот, сірку, кальцій та інші елементи. Життєдіяльністю рослинних організмів (продуцентів) і їх взаємодіями з тваринами (консументами), мікроорганізмами (редуцентамі) і неживою природою забезпечується механізм накопичення і перерозподілу сонячної енергії, що надходить на Землю.
Кругообіг речовин ніколи не буває повністю замкнутим. Частина органічних і неорганічних речовин виноситься за межі екосистеми, і в той же час їх запаси можуть поповнюватися за рахунок припливу ззовні. В окремих випадках ступінь повторюваного відтворення деяких циклів кругообігу речовин становить 90-98%. Неповна замкнутість циклів в масштабах геологічного часу призводить до накопичення елементів в різних природних сферах Землі. Таким чином накопичуються корисні копалини - вугілля, нафта, газ, вапняки тощо
Продуктивність біоценозів. Промениста енергія сонця, засвоюється зеленими автотрофними рослинами, перетворюється в енергію хімічних
зв'язків синтезованого речовини. Швидкість фіксації сонячної енергії визначає продукцію біоценозів. Основний показник продукції - біомаса організмів (рослинних і тваринних), що становлять біоценоз.
Біомаса - виражене в одиницях маси або енергії кількість живої речовини організмів, що припадає на одиницю площі або об'єму (наприклад, г / м 2, г / м 3, кг / га, т / км 2 та ін.). Використовують масу або сирого, або, найчастіше, сухої речовини. Розрізняють рослинну біомасу - фітомасу, тваринну - зоомасси, бактеріомассу, біомасу будь-яких конкретних груп або організмів окремих видів.
Продукція. Біологічної продукцією називається біомаса, вироблена біоценозом на одиниці площі за одиницю часу. Вона виражається в тих же величинах, що і біомаса, але із зазначенням часу, за яке вона створена (наприклад, кг / га за місяць).
Розрізняють два види продукції - первинну і вторинну.
Біомаса, вироблена автотрофними організмами (зеленими рослинами) на одиниці площі за одиницю часу, називається первинною продукцією. Її величина визначає продуктивність всіх ланок гетеротрофних організмів екосистеми.
Сумарна продукція фотосинтезу називається первинної валовий продукцією. Це вся хімічна енергія в формі виробленого органічної речовини. При цьому частина енергії може йти на підтримку життєдіяльності (дихання) самих виробників продукції - рослин. Якщо ми вилучимо ту частину енергії, яка витрачається рослинами на дихання, то отримаємо чисту первинну продукцію. Її можна легко врахувати. Досить зібрати, висушити і зважити рослинну масу, наприклад, при збиранні врожаю. У природних біоценозах дихання зменшує продуктивність більш, ніж наполовину. У міру старіння рослини частка споживаної на дихання енергії зростає.
Незважаючи на те, що рослини активно поглинають сонячне світло, ККД цих маленьких зелених фабрик невеликий. Наприклад, вся продукція хлібного поля в перерахунку на суху речовину становить 8-10 т / га. У широколистяних лісі вихід продукції ще менше - 4-5 т / га.
Екологи давно намагалися оцінити первинну продукцію екосистем земної кулі. З одного боку, потрібно було знати достовірні цифри продуктивності зеленого покриву планети, а з іншого - спробувати прогнозувати збільшення виходу продукції в результаті застосування вдосконалених технологій
вирощування і поліпшення посадкового матеріалу. Чисельність населення зростає, а площа родючої землі не збільшується. Тому збільшення ККД наших зелених друзів є найбільш нагальною проблемою при вирішенні найперших завдань життєзабезпечення людини.
У таблиці 2.1 наведено один з варіантів розрахунку первинної продукції різних екосистем планети. Видно, що екосистема океану дає половину всієї продуктивності планети, ліси - третю частину, а ріллі - близько однієї десятої.
2.1. Первинна продукція різних екосистем земної кулі
Вторинна продукція - це біомаса, створена всіма консументами біоценозу за одиницю часу. При її підрахунку обчислення виробляють окремо для кожного трофічного рівня, тому що при русі енергії від одного трофічного рівня до іншого вона приростає за рахунок надходження з попереднього рівня. Загальну продуктивність біоценозу можна обчислити як просту арифметичну суму первинної і вторинної продукції, тому що приріст вторинної продукції завжди відбувається не паралельно зростанню первинної, а за рахунок знищення якоїсь її частини. Відбувається як би вилучення, віднімання вторинної продукції із загальної кількості первинної. Тому оцінку продуктивності біоценозу завжди виробляють по первинній продукції. Якщо оцінити співвідношення первинної та вторинної продукції, то перша виявиться у багато разів більше другий. В цілому вторинна продуктивність коливається від 1 до 10%.
Життя в екосистемі підтримується завдяки безперервному необоротного проходженню енергії, що передається від одного трофічного рівня до іншого; при цьому відбувається перетворення енергії з одних форм в інші. Речовини атмосфери, на відміну від енергії, використовуються багаторазово і здійснюють біологічний круговорот. Швидкість перетворення енергії Сонця в енергію хімічних зв'язків визначає продукцію біоценозів, яка виражається в біомасі організмів. Біомаса продуцентів представляє привчає небезпечну продукцію, біомаса консументів - вторинну. Вторинна продукція в біоценозі значно менше первинної через втрати енергії при передачі її з одного трофічного рівня на інший.
27-квиток. Пастбищная і детритной ланцюга. Структура і функції.
Харчові ланцюги можна розділити на два типи. Пастбищная ланцюг починається від зеленого рослини і йде далі до пасеться рослиноїдних тварин і потім - до хижаків. Приклади пасовищних ланцюгів наведені на ілюстраціях до параграфу 4.2. Детритной ланцюг йде від мертвого органічної речовини (детриту) до мікроорганізмів-редуцентам і тваринам, що поїдає мертві залишки (детритофагам), і потім - до хижаків, харчується цими тваринами і мікробами. На цьому малюнку показаний приклад детритной харчового ланцюга з тропіків; це ланцюг, що починається від опадаючих листя мангров - дерев і чагарників, що ростуть на періодично затоплюваних приливами морських узбережжях і в гирлах річок. Їх листя падають в солонуваті води, зарослі мангровими деревами, і розносяться течією по великій площі заток. У воді на опалому листі розвиваються гриби, бактерії та найпростіші, яких разом з листям поїдають численні організми: риби, молюски, краби, рачки, личинки комах і круглі черв'яки - нематоди. Цими тваринами харчуються дрібні риби (наприклад, гольяни), а їх в свою чергу, поїдає велика риба і хижі рибоядние птахів.
28-квиток. ЕКОСИСТЕМА. Основним поняттям і основний таксономической одиницею в екології є екосистема, Цей термін ввів в науку в 1935 р англійський учений ботанік-еколог А. Тенсли. Під екосистемою розуміється будь-яка спільнота живих істот і середовища їх проживання, об'єднаних в єдине функціональне ціле. Основні властивості екосистем:
1) сприяти здійсненню кругообігу речовин в природі;
2) протидіяти зовнішнім впливам;
3) проводити біологічну продукцію.
Виділяють зазвичай екосистеми різного рангу: мікроекосистеми (калюжа, труп тварини, гниє дерево), мезоекосістеми (ліс, ставок, річка, водозбір), макроекосистеми (океан, континент) і глобальну екосистему - біосферу в цілому.
Таким чином, більші екосистеми включають екосистеми меншого рангу.
Ю. Одум виділяє три групи природних екосистем: наземні (біоми), прісноводні і морські. В основу класифікації покладено певні
ознаки - для наземних - тип рослинності, для прісноводних - фізичні властивості води.
Будь-яка екосистема, пристосовуючись до змін зовнішнього середовища, знаходиться в стані динаміки. Це динаміка може стосуватися як окремих ланок екосистем (організмів популяцій, трофічних груп) так і системи в цілому. При цьому динаміка може бути пов'язана з адаптацією до зовнішніх чинників по відношенню до екосистемі, а також до факторів, створеним всередині самої екосистемою. Найпростіший тип динаміки - добовий. Він пов'язаний зі змінами в фотосинтезі, транспірації, поведінці тварин, що населяють екосистему і т.д. Такі ж приклади, а також більш складні зміни відбуваються при зміні сезонів. Не залишаються незмінними екосистеми і в багаторічному ряду. На прикладі луки або ліси можна помітити, що в різні роки цим екосистемам властиві свої особливості, тобто в одні роки відбувається збільшення чисельності одних видів, в інші роки інших видів. З цього випливає, що кожен вид індивідуальний за своїми вимогам до середовища, і її зміни для одних видів сприятливі, а на інших справляють гнітюче вплив. Така періодичність спостерігається і щодо періодичності інтенсивності розмноження. Ці зміни можуть повторюватися і мати односпрямований поступальний характер і обумовлюють розвиток екосистеми в певному напрямку. Періодично повторюється динаміку називають циклічними змінами або флуктуаціями, а спрямовану динаміку - поступальної або розвитком екосистем. для якого характерні впровадження нових видів або зміна одних видів іншими.