Сообщество экосистема и биосфера Нина Викторовна Пахарькова к

Сообщество, экосистема и биосфера Нина Викторовна Пахарькова, к. б. н. , доцент кафедры экологии и природопользования Института экономики, управления и природопользования СФУ

Термин «экосистема» предложен в 1935 г. английским экологом А. Тэнсли «Живые организмы и их неживое окружение, неразделимо связанные друг с другом, постоянно взаимодействующие и совместно функционирующие на данном участке таким образом, что, поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями, представляют собой экологическую систему — экосистему» Ю. ОДУМ

Экосистема представляет собой систему сообществ живых организмов и среды их обитания, которые функционируют совместно. Это значит, что круговорот вещества и потоки энергии происходят во взаимной связи всех компонентов живой (биотической) и неживой (абиотической) составляющей системы. Любая экосистема является открытой системой, т. е. она должна получать отдавать энергию и

Термин биоценоз происходит от греческих слов bios — жизнь и koinos — общий. Впервые он был использован немецким зоологом К. Мебиусом в книге «Устрицы и устричное хозяйство» (1877). Биоценоз — это только живое население, тогда как в экосистему помимо биотической компоненты входит и абиотическая, т. е. неживая. Биоценоз — это «совокупность всех популяций биологических видов, принимающих существенное (постоянное или периодическое) участие в функционировании данной экосистемы» В. Д. Федоров и Т. Г. Гильманов (1980)

Биогеоценоз Биотоп характеризуется определенным сочетанием абитических факторов: температуры, влажности, количеством приходящейся солнечной радиации, ветром, концентрацией и качеством минеральных элементов питания (вода, кислород, калий, кальций, нитраты, фосфаты и т. д. ). Каждый биотоп составляет физическую основу биоценоза. Совокупность биоценоза и биотопа называют биогеоценозом. Биогеоценоз — это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий), имеющая свою особую специфику взаимодействия этих слагающих ее компонентов и определенный тин обмена веществами и энергией между собой и другими явлениями природы и представляющая собой внутренне противоречивое единство, находящееся в постоянном движении, развитии. (В. Н. Сукачев, 1964)

иерархическая соподчиненность элементов Элементарной единицей в экологии считают организм (особь), совокупность особей образует элементарную подсистему — популяцию, а совокупность популяций, выполняющих сходную функциональную роль в экосистеме, образует следующую подсистему — сообщество, совокупность сообществ — биоценоз. Организмы биоценоза в комплексе со средой обитания представляют собой экосистему принцип эмерджентности при переходе на каждый новый уровень у появившихся элементов возникают новые свойства, которые не являются простой суммой свойств предыдущих уровней

Трофические уровни Редуценты Консумент ы I –го порядка Продуценты Консументы II –го порядка Консументы III –го порядка

В сообществах основная доля биомассы обычно приходится на растения — первичные продуценты (автотрофы), которые используя энергию солнца, создают массу органического вещества (биомассу), являются основой существования жизни вообще и биоценоза в частности Консументы (гетеротрофы) питаются другими организмами или частицами органического вещества Третья группа организмов, обеспечивающая в экосистеме функционирование биоценоза — редуценты. Это группа организмов, разлагающих отходы жизнедеятельности и отмершие организмы до минеральных веществ.

Экологическая пирамида www. labstend. ru/site/index/uch

Круговорот веществ и поток энергии в экосистеме

Пищевые сети Учитывая тот факт, что большинство животных использует в пищу значительный набор объектов, следует ожидать появления, наряду с вертикальными, горизонтальных пищевых связей, которые также повышают устойчивость биоценозов и экосистемы в целом. Горизонтальные и вертикальные связи образуют пищевые сети. Таким образом, в природе формируются дублирующие механизмы.

www. labstend. ru/site/index /uch_tech/index_full. php? mode=full&id=188&id_cat= 378

Примеры наземных цепей питания: А – цепи выедания; Б – цепи разложения. www. labstend. ru/site /index/uch_tech/inde x_full. php? mode=full

«Правило десяти процентов» или Закон Р. Линдемана (1942) При переходе с одного трофического уровня на другой передается приблизительно 10% энергии (от 1 до 19%)

www. labstend. ru/site/index

Экологическая ниша Каждый вид занимает определенное положение в составе экосистемы и выполняет определенные функции, обеспечивающие стабильность его позиций и стабильность биоценоза и экосистемы в целом. Это положение называют экологической нишей. Положение каждого вида и популяции в биоценозе зависит от наличия необходимых для их жизнедеятельности условий среды, прежде всего абиотических факторов, а также от взаимоотношений с другими видами и популяциями.

Биоразнообразие в экосистемах Повышение биоразнообразия, т. е. увеличение числа видов в биоценозе, сопровождается ограничением численности особей, входящих в экологические ниши. Немецкий эколог А. Тинеманн, основываясь на этой закономерности, сформулировал правило числа видов и числа особей: в благоприятных условиях число видов растет, а численность особей в популяции падает, тогда как в неблагоприятных условиях происходит

Биосфера

Биосфера — область «жизни» , пространство на поверхности земного шара, в котором обитают живые существа. Под биосферой понимают совокупность всех живых организмов, включая человека, и окружающей их среды.

Термин введен в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом, который рассматривал биосферу главным образом как топологическое образование, т. е. пространство, заполненное жизнью Учение о биосфере создано русским ученым академиком В. И. Вернадским. Классический труд В. И. Вернадского «Биосфера» опубликован в 1926 г. По В. И. Вернадскому, биосфера представляет собой уникальную геологическую оболочку земного шара, глобальную систему Земли, в которой геохимические и энергетические превращения определяются суммарной активностью живых организмов.

• Всю совокупность организмов на планете В. И. . Вернадский назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию. • Косное вещество - совокупность тех веществ, в образовании которых живые организмы не участвуют. • Биогенное вещество создается и перерабатывается жизнью, совокупностями живых организмов. Это источник чрезвычайно мощной потенциальной энергии (каменный уголь, битумы, нефть, известняки). После образования биогенного вещества живые организмы в нем малодеятельны. • Биокосное вещество - «создается в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя системы динамического равновесия тех и других» , организмы в биокосном веществе играют ведущую роль

В. И. Вернадский выделил три главные составляющие биосферы: газовую (атмосфера), водную (гидросфера) и каменную (литосфера). Газовая оболочка Земли — атмосфера — существенно отличается от всех известных науке газовых оболочек других небесных тел. Она относится к азотно-кислородному типу и отличается малым содержание инертных газов (за исключением аргона) и молекулярного водорода. В течение геологической истории Земли произошли события, изменившие первоначальный состав ее газовой оболочки, что связывают с деятельностью живых организмов, прежде всего растений.

В. И. Вернадский выделил три главные составляющие биосферы: газовую (атмосфера), водную (гидросфера) и каменную (литосфера). Под гидросферой понимают Мировой океан, континентальные подземные воды. Она включает все типы водных объектов: моря, водоемы, водотоки, подземные воды, болотные воды и т. д. Земная поверхность на значительном протяжении покрыта водой: 71% ее занимают океаны, около 5% — континентальные (внутренние) водоемы.

В. И. Вернадский выделил три главные составляющие биосферы: газовую (атмосфера), водную (гидросфера) и каменную (литосфера). «Каменная оболочка» Земли — литосфера — представляет собой верхнюю часть земной коры. В контексте биосферы под литосферой обычно понимают только поверхностную ее часть — почву. Поэтому иногда употребляют термин педосфера — почвенная оболочка земной коры

http: //labstend. ru/site/index/folies /school/ecolog/p 0023. gif Структура биосферы

«Поле существования жизни» ограничено в вертикальном пределе высотой около 6 км над уровнем моря, до которой сохраняются положительные температуры в атмосфере и могут жить хлорофиллоносные растения (6, 2 км в Гималаях). Выше могут обитать лишь отдельные организмы, случайно занесенные ветром и споры микроорганизмов. Нижний предел существования активной жизни традиционно ограничивают дном океана и изотермой 100ºС в литосфере, расположенными соответственно на отметках около 11 км и, по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове, около 6 км.

Особенности биосферы как особой оболочки земного шара 1. Достаточное количество кислорода и углекислого газа. 2. Достаточное количество жидкой воды. 3. Благоприятный термический режим, исключающий как слишком высокие температуры (вызывающие свертывание белков), так и слишком низкие (прекращающие работу ферментов). 4. Наличие «прожиточного минимума» элементов минерального питания. Недостаток их ощущается на больших площадях в океанах, однако отсутствие жизни по этой причине наблюдается крайне редко. 5. Сверхсоленость водной среды, превышающая концентрацию солей в морской воде примерно в 10 раз. Лишены жизни подземные воды с концентрацией солей выше 270 г/л. 6. В биосферу постоянно поступает солнечная энергия. Источником энергии, от которого зависит жизнь на Земле, является Солнце. На современной Земле энергия солнечного излучения включается в биологический круговорот только через фотосинтез: зеленые и пурпурные, сине-зеленые бактерии, фитопланктон и высшие растения. Все эти организмы обитают в той части биосферы, которая получает днем солнечную энергию - атмосфера, поверхность суши и верхние слои воды (до 100 м и глубже).

de. ifmo. ru

Важным положением в учении В. И. Вернадского является то, что биосфера не закрытая самоуправляющаяся система, а открытая система, существующая, вероятно, столь же долго, как и сама Земля. Биосфера функционирует как таковая только в силу своей неразрывной связи с другими геосферами нашей планеты, образуя вместе с ними единую суперсистему. www. labstend. ru/site/index/uch_tech /index_full. php? mode=full&id=188&i d_cat=378

Продуктивность экосистем и круговороты веществ

Биологическая продукция экосистем – это скорость создания в них биомассы. Продуктивность выражают в единицах энергии или вещества, отнесенных к площади (или объему для водных экосистем) за единицу времени (час, сутки, год и т. д. ).

Первичная продукция • Количество создаваемой автотрофами биомассы называется первичной продукцией (Р). Общее количество биомассы называют при этом валовой продукцией, а прирост биомассы — чистой продукцией. Часть энергии идет на поддержание жизни, дыхание самих растений и теряется для сообщества в виде потерь на дыхание; они составляют 40 -70% от валовой продукции. Разница между валовой продукцией и дыханием как раз и составляет чистую продукцию.

Первичная продуктивность Мирового океана и суши. biodata. ecoinfo. ru

biodata. ecoinfo. ru

Вторичная продукция Количество биомассы, создаваемой на последующих трофических уровнях, называют вторичной продукцией. Эту группу организмов объединяют во второй трофический уровень, который представлен консументами.

Соотношение продукции и биомассы разных групп организмов в океане: 1 – бактерии; 2 – фитопланктон; 3 – зоопланктон; 4 – рыбы.

Тундры Тундровые ландшафты характеризуются небольшими значениями биомассы (от 40 до 280 ц/га), примерно равной биомассе пустынь. Большая часть биомассы сосредоточена в корнях (70 -80%). Продуктивность в тундре близка по значениям продуктивности сухих степей и пустынь (10 -25 ц/га). Таким образом, по биомассе и ежегодной продукции эта группа ландшафтов близка к сухим степям и пустыням.

Лесные ландшафты Для этой группы ландшафтов характерно накопление большого количества биомассы (Б – от 500 -1000 ц /га в северной тайге до 45005000 ц/га во влажных тропических лесах), которая намного превышает ежегодную продукцию.

Травянистые ландшафты Биомасса в этих ландшафтах на порядок меньше, чем в лесных ландшафтов и не превышает 300 -400 ц/га (от 150 ц/га в луговых степях до 400 ц/га в саваннах). Большая ее часть сосредоточена в корнях (70 -90%). Ежегодная продукция же степей значительна (составляет от 30 до 50% от биомассы), в отдельных случаях не уступает продукции лесных ландшафтов и составляет от 50 ц/га в сухих степях до 130 ц/га в луговых степях.

Пустыни. Для пустынных ландшафтов характерны небольшие значения биомассы и продуктивности (от 10 до 100 ц/га и от 5 до 50 ц/га соответственно). Прямые водные связи в этих ландшафтах значительно ослаблены, что определяет независимость друг от друга основных компонентов ландшафта, например, элювиальных почв и грунтовых вод.

Динамика экосистем Экологическая сукцессия (от лат. – succession – последовательность, смена) - последовательная смена одного биоценоза другим Сукцессия является процессом саморазвития экосистем Первичной сукцессией называется процесс развития и смены экосистем на незаселенных ранее участках, начинающихся с их колонизации Вторичная сукцессия – это восстановление экосистемы, когда-то уже существовавшей на данной территории (после пожара, рубки и т. п. ) Климаксовая экосистема. Сукцессия завершается стадией, когда все виды экосистемы, размножаясь, сохраняют относительно постоянную численность и дальнейшей смены ее состава не происходит. Такое равновесие называют климаксом, а экосистему – климаксовой Биосфера является глобальной экосистемой, в которой постоянно имеют место круговороты веществ, обеспечивающие целостность экологических надсистем вплоть до биосферы в целом

Круговороты веществ

Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ: большой, или геологический, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы; малый, биологический (биотический), развивающийся на основе большого и состоящий в непрерывном циклическом, но неравномерном во времени и пространстве, и сопровождающийся более или менее значительными потерями закономерного перераспределения вещества, энергии и информации в пределах экологических систем различного уровня организации

Круговорот воды • Самый значительный по переносимым массам и затратам энергии круговорот на Земле – это планетарный гидрологический цикл – круговорот воды. • Каждую секунду в него вовлекается 16, 5 млн. куб. м воды и тратится на это более 40 млрд. МВт солнечной энергии (по Т. А. Акимовой, В. В. Хаскину, 1994).

Круговорот воды

Взаимодействие абиотических факторов и живых организмов экосистемы сопровождается непрерывным круговоротом вещества между биотопом и биоценозом в виде чередующихся то органических, то минеральных соединений. Обмен химических элементов между живыми организмами и неорганической средой, различные стадии которого происходят внутри экосистемы, называют биогеохимическим круговоротом, или биогеохимическим циклом. В биосфере Земли этот процесс приводит к тому, что количество биомассы живого вещества приобретает тенденцию к определенному постоянству. Биомасса экосферы (2 х1012 т) на семь порядков меньше массы земной коры (2 х1019 т). Растения Земли ежегодно продуцируют органическое вещество, равное 1, 6 х1011 т, или 8% биомассы экосферы. Деструкторы, составляющие менее 1% от суммарной биомассы организмов планеты, перерабатывают массу органического вещества, в 10 раз превосходящую их собственную биомассу. В среднем период обновления биомассы равен 12, 5 годам.

Пять основных биогеохимических функций живого вещества (По В. И. Вернадскому) 1 – газовая. Большинство газов верхних горизонтов планеты порождено жизнью. Подземные горючие газы являются продуктами разложения органических веществ растительного происхождения, захороненных ранее в осадочных толщах. 2 – концентрационная. Организмы накапливают в своих телах многие химические элементы. 3 – окислительно-восстановительная. Организмы, обитающие в разных водоемах, в процессе своей деятельности и после гибели регулируют кислородный режим и тем самым создают условия, благоприятные для растворения или же осаждения ряда металлов с переменной валентностью (железо, марганец, ванадий). 4 – биохимическая. Она связана с ростом, размножением и перемещением живых организмов в пространстве. Размножение приводит к быстрому распространению живых организмов, «расползанию» живого вещества в разные географические области. 5 – биогеохимическая деятельность человечества, охватывающая все возрастающее количество вещества земной коры для нужд промышленности, транспорта, сельского хозяйства. Таким образом, все живое население нашей планеты – живое вещество – находится в постоянном круговороте биофильных химических элементов

Закон биогенной миграции атомов В. И. Вернадского «Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории» .

Известный эколог Ю. Одум полагает, что основной целью общества должно стать «возвращение веществ вдестабилизации Существенным фактором круговорот» . биосферы является изменение круговоротов биогенных элементов. На первом месте по числу исследований нарушений круговоротов стоит углерод. Значительный рост содержания диоксида углерода в атмосфере, который наблюдается в последние десятилетия, влечет за собой изменения круговорота углерода.

Круговорот углерода

Круговорот углерода • Общая масса углерода в ископаемом топливе оценивается в 3, 2 х1015 т, что соответствует средней скорости накопления 7 млн. т/год. Это количество по сравнению с массой циркулирующего углерода незначительное и как бы выпадало из круговорота, терялось в нем. • Отсюда степень разомкнутости (несовершенства) круговорота составляет 0, 01%, а соответственно и степень замкнутости – 99, 99%. Скореллированность потоков синтеза и распада с указанной точностью доказывает наличие биологической регуляции окружающей среды, ибо случайная связь величин с такой точностью в течение миллионов лет невероятна. • В постоянном круговороте находится 0, 2% мобильного запаса углерода. Углерод биомассы обновляется за 12, атмосферы - за 8 лет. Огромный контраст между краткостью данных периодов, постоянством и возрастом биосферы подтверждает высочайшую сбалансированность «мира углерода» .

Круговорот кислорода

Круговорот кислорода На образование озона тратится около 5% поступающей к Земле солнечной энергии. Реакция легко обратима. При распаде озона эта энергия выделяется, за счет чего в верхних слоях атмосферы поддерживается высокая температура. Озон служит своеобразным ультрафиолетовым фильтром: задерживает значительную часть жестких УФ-лучей. Вероятно, образование озонового слоя было одним из условий выхода жизни из океана и заселения суши. Большая часть кислорода, вырабатываемого в течение геологических эпох, не оставалось в атмосфере, а фиксировалась литосферой в виде солей и окислов. Эта масса составляет 590 х1014 т против 39 х1014 т кислорода, который циркулирует в биосфере в виде газа или сульфатов, растворенных в континентальных и океанических водах.

Круговорот азота

Круговорот азота В целом среднее поступление нитратного азота абиотического происхождения при осаждении из атмосферы в почву не превышает 10 кг (год/га), свободные бактерии дают 25, а симбиотические – 200 кг (год/га). Преобладающая часть связанного азота перерабатывается денитрифицирующими бактериями в N 2 и вновь возвращается в атмосферу. Лишь около 10% аммонифицированного и нитрифицированного азота поглощается из почвы высшими растениями и оказывается в распоряжении многоклеточных представителей

Круговорот фосфора

Круговорот фосфора При рассмотрении круговорота фосфора в биосфере за сравнительно короткий период можно отметить, что полностью не замкнут. Механизм возвращения фосфора океанов на сушу в естественных условиях совершенно способен компенсировать потери этого элемента седиментацию (осаждение). он из не на В связи с тем, что запасы фосфора на Земле малы (содержание не превышает 1% в земной коре), то любые воздействия человека на биогеохимический круговорот фосфора несут опасность потери фосфора, что делает его круговорот менее замкнутым. П. Дювиньо (1967) подчеркивал, что «положение однажды окажется весьма угрожающим и … можно согласиться с Уэллсом, Хаксли и Уилсом (1939) в том, что … фосфор – наиболее слабое звено в жизненной цепи, которая обеспечивает существование человека» .

Спасибо за внимание