Что такое живые организмы

Общие свойства живых организмов

Круговорот веществ

Тема: Круговорот веществ и потоки энергии в экосистемах

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…

1. 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.

2. 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

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 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.

КРУГОВОРОТ СЕРЫ

(Colinvaux, 1973)

Одной из основных особенностей круговорота серы состоит в том, что его резервный фонд находится одновременно и в почве, и в атмосфере. В виде соединений с металлами (сульфидов) она залегает в виде руд на суше и входит в состав глубоководных отложений. В доступную для усвоения организмами растворимую форму эти соединения переводятся так называемыми хемосинтезирующими бактериями, способными получать энергию путём окисления восстановленных соединений серы. В результате образуются т.н. сульфаты, которые используются растениями. Глубоко залегающие сульфаты вовлекаются в круговорот другой группой микроорганизмов, восстанавливающих сульфаты до сероводорода.

Круговорот фосфора

В отличие от азота, резервным фондом круговорота фосфора служат горные породы и другие отложения, образовавшиеся в течении миллионов лет. Содержащиеся в них соединения фосфора (фосфаты) подвергаются постепенному растворению, после чего фосфор из растворенных фосфатов переходит к растениям, а затем и к животным. После разложения мертвого органического вещества, фосфор, находившейся в нем, оказывается в составе соединений, содержащихся в воде и почве, и снова попадает в обменный фонд круговорота. Однако часть останков животных (прежде всего костная ткань) со временем соединяется с фосфатными породами или отложениями на дне водоемов. В последнем случае происходит выпадение фосфора из биогеохимического цикла. Но возвращение фосфора в круговорот происходит в гораздо меньших количествах, чем выпадение из него. Деятельность человека также приводит к большим утечкам фосфора, в результате чего в будущем может начаться дефицит данного элемента.

Экосистема может обеспечить круговорот веществ только в том случае, если включает четыре необходимые для этого части: запасы биогенных элементов; продуценты; консументы; редуценты;

На их сложном и постоянном взаимодействии основан первый (основной) принцип функционирования экосистем:

«Получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов»[1.стр.52].

Данный принцип гармонирует с законом сохранения массы. Так как атомы не возникают, не исчезают и не превращаются один в другой, они могут использоваться бесконечно в самых различных химических соединениях и запас их практически не ограничен. Именно это и происходит в природных экосистемах.

3. Потоки энергии в экосистемах

Биологический круговорот не совершается исключительно за счет вещества, поскольку он - результат деятельности организмов, для обеспечения жизнедеятельности которых требуются постоянные энергетические затраты, обеспечиваемые Солнцем. Энергия солнечных лучей, поглощаемая зелеными растениями, в отличие от химических элементов, не может использоваться организмами бесконечно. «Односторонний приток энергии обусловлен действием законов термодинамики. Согласно первому из них, энергия может переходить из одной формы (энергии света) в другую (потенциальную энергию пищи), но она никогда не создается вновь и не исчезает бесследно. Согласно второму закону термодинамики, не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потери некоторой ее части.

Энергия не циркулирует в экосистемах, а передаётся от автотрофов к консументам, а затем к деструкторам. На каждом этапе основная её часть рассеивается в форме тепла, в конечном итоге возвращающегося в мировое пространство в виде инфракрасного излучения.

Между организмами возникают и устанавливаются прочие пищевые взаимоотношения, или цепь питания, которая состоит из трех основных звеньев: продуцентов, консументов и редуцентов. Цепи питания, которые начинаются с фотосинтезирующих организмов, называют цепями выедания (или пастбищными), а цепи, начинающиеся с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных, - детритными цепями.

Место каждого звена в цепи питания называют трофическим уровнем, он характеризуется различной интенсивностью протекания потока веществ и энергии.

Первый трофический уровень всегда составляют продуценты; растительноядные консументы относятся ко второму трофическому уровню; плотоядные, живущие за счет растительноядных форм, к третьему; потребляющие других плотоядны - соответственно к четвертому и т. д. Вследствие этого различают консументов первого, второго, третьего и четвертого порядков, занимающих разные уровни в цепях питания.

На суше пищевые цепи состоят из трёх-четырёх звеньев (потому что количество пищи, остающееся в конце более длинной цепи, слишком мало).

Одна из простейших цепей имеет вид:

Растение > Овца > Человек

(продуцент) (травоядное) (плотоядное)

Часто встречаются два уровня пищевой цепи плотоядных:

Дуб > Гусеница > Синица > Ястреб-перепелятник

(продуцент) (травоядное) (плотоядное I) (плотоядное II)

В морской среде пищевые цепи хищников всегда длиннее, чем в наземных экосистемах.

Пищевая цепь паразитов отличается от предыдущих и идёт от крупных организмов к мелким. В некоторых случаях один паразит может развиваться внутри тела второго, что часто встречается у беспозвоночных, когда эндопаразиты являются основным естественным фактором, ограничивающим число хозяев. У насекомых, например, гиперпаразитизм очень сильно развит и часто пищевая цепь организована следующим образом:

Сосна > Гусеница > Бракониды> Наездники

(растение) (травоядное) (паразит) (гиперпаразит)

Согласно расчетам, на каждом этапе передачи вещества и энергии по пищевой цепи теряется примерно 90% энергии и только около одной десятой доли её переходит к очередному потребителю. Указанное соотношение в передачи энергии в пищевых связях организмов называют «правилом десяти процентов» (принцип Линдемана). Чем длиннее пищевая цепь, тем меньше остается к ее концу доступной энергии. Этим объясняется ограниченное количество (5-6) звеньев в пищевой цепи независимо от сложности видового состава биоценоза.

Таким образом, энергия в экосистеме может накапливаться, затем снова высвобождаться или экспортироваться, но её нельзя использовать вторично. В отличие от энергии элементы питания, необходимые для жизни, и вода используются многократно. Пищевая цепь - основной канал переноса энергии в сообществе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

экосистема организм пищевая цепь

Таким образом главное свойство потоков веществ в экосистемах -- их цикличность. Вещества в экосистемах совершают сложный многоступенчатый круговорот, попадая сначала к живым организмам, затем в абиотическую среду и вновь возвращаясь к организмам. При этом, часть массы веществ могут надолго выпасть из биогеохиимческих циклов. Биогеохимические циклы веществ сопровождают энергетические потоки в экосистемах. Вмешательство человека в данные процессы может неблагоприятно сказаться на состоянии отдельных экосистем и биосферы в целом. Поэтому действия людей по отношению к экосистемам должны носить осторожный и предсказуемый характер, а для выполнения этого условия необходимо знать все закономерности функционирования потоков веществ и энергии в биосфере, так как именно вышеназванные процессы обеспечивают ее нормальное функционирование.

Главные функции биоценоза в экосистеме, такие, как создание органического вещества, его последующее разрушение и регуляция численности видов, обеспечивается множеством видов организмов, которые в своей деятельности «подстраховывают» друг друга. Например, разложение целлюлозы могут осуществлять специализированные бактерии, различные виды грибов, личинки насекомых, дождевые черви и т.д. Численность, например, насекомых могут сдерживать многоядные хищники, при более высокой численности - специализированные паразиты, при еще более высокой - возбудители инфекционных заболеваний или ужесточение конкурентной борьбы и внутрипопуляционные взаимоотношения. Из этого можно сделать вывод, что главное условие устойчивости всей жизни на земле состоит в наличии биологического разнообразия. Поэтому исключительно важно, чтобы на планете сохранялось как можно большее разнообразие животного и растительного мира.