Резервный и обменный фонд в биогеохимических циклах

В природе элементы никогда или почти никогда не бывают распределены равномерно по всей экосистеме и не находятся всюду в одинаковой химической форме. На пути между гетеротрофами и автотрофами элементы попадают в так называемый резервный фонд — большая масса медленно движущихся веществ, в основном не связанных с организмами. В отличие от него обменный фонд представляет собой быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением и имеет вид кольца. В зависимости от природы резервного фонда выделяют два основных типа биогеохимических круговоротов: круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере и осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.Резервные фонды в атмосфере и гидросфере легко доступны, поэтому такие биогеохимические круговороты относительно устойчивы. Осадочные циклы, в которых участвуют фосфор и железо, гораздо менее стабильны. Они подвержены влиянию различного рода местных изменений, так как основная масса вещества сосредоточена в малоактивном и малоподвижном резервном фонде земной коры. Обменный фонд образуется за счет веществ, которые поступают в круговорот различными путями. Два из них ведут непосредственно от продуцентов и консументов, входящих в состав экосистемы. При этом пополнение фонда идет за счет веществ, которые образуются либо в результате первичной экскреции животными, либо при разложении детрита микроорганизмами.

26. Экосистема - биологическая система, состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними. Одно из основных понятий экологии.

С точки зрения структуры в экосистеме выделяют:

1. климатический режим, определяющий температуру, влажность, режим освещения и прочие физические характеристики среды;

2. неорганические вещества, включающиеся в круговорот;

3. органические соединения, которые связывают биотическую и абиотическую части в круговороте вещества и энергии;

4. продуценты — организмы, создающие первичную продукцию;

5. макроконсументы, или фаготрофы, — гетеротрофы, поедающие другие организмы или крупные частицы органического вещества;

6. микроконсументы (сапротрофы) — гетеротрофы, в основном грибы и бактерии, которые разрушают мёртвое органическое вещество, минерализуя его, тем самым возвращая в круговорот.

Последние три компонента формируют биомассу экосистемы.

27. Классификация экосистем:

А)По масштабу:

1) микроэкосистемы (подушка лишайника, капля воды из озера, капля крови с клетками и т. д.);

2) мезоэкосистемы (пруд, озеро, степь и др.);

3) макроэкосистемы (континент, океан);

4) глобальная экосистема (биосфера Зем­ли), или экосфера, – интеграция всех экосистем мира.

Биомы – крупные наземные экосистемы, сходные по типу растительности и ландшафта.

а) пустыня;

б) тайга;

в) лес умеренной зоны;

г) тундра;

д) степь;

е) влажный тропический лес.

Пресноводные экосистемы:

а) ленточная (стоячие воды);

б)лотическая (текучие воды)

в) заболоченная (болота, болотистые леса).

Морские экосистемы:

а) открытый океан (пелагическая);

б) воды континентального шельфа (прибрежные воды);

в) зоны апвеллинга(плодородные районы с продуктивным рыболовством);

г) эстуарий (прибрежные бухты, проливы, устья рек, соленые марши и т.д.)

 

28. С биологической точки зрения, в составе экосистемы выделяют следующие компоненты: 1) неорганические вещества (С, N, СО₂, Н₂О и др.), включающиеся в круговороты; 2) органические соединения (белки, углеводы, липиды, гумусовые вещества и т. д.), связывающие биотическую и абиотические части; 3) воздушную, водную и субстратную среду, включающую климатический режим и другие физические факторы; 4) продуцентов, автотрофных организмов (зеленые растения, сине-зеленые водоросли, фото- и хемосинтезирующие бактерии), производящих пищу из простых неорганических веществ 5) консументов, или фаготрофов— гетеротрофных организмов, главным образом животных, питающихся другими организмами или частицами органического вещества; 6) редуцентов и детритофагов — гетеротрофных организмов, в основном бактерий и грибов, получающих энергию либо путем разложения мертвых тканей, либо путем поглощения растворенного органического вещества, выделяющегося самопроизвольно или извлеченного сапрофитами из растений и других организмов. Консументы питаются живым (биофаги) или мертвым (сапрофаги) органическим материалом. Среди биофагов могут быть выделены растительноядные организмы или фитофаги (первичные консументы, к ним относятся и повреждающие растения вирусы, грибы и паразитические сосудистые растения), хищники (вторичные консументы, в том числе и паразиты первичных консументов) и конечные потребители — вершинные хищники (третичные консументы).

29. Трофическая структура экосистемы С точки зрения трофической структуры экосистему можно разделить на два яруса:

1) верхний автотрофный (самостоятельно питающийся) ярус, или «зеленый пояс», включающий растения, содержащие хлорофилл, где преобладают фиксация энергии света, использование простых неорганических соединений и накопление сложных органических соединений;

2) нижний гетеротрофный (питаемый другими) ярус, или «коричневый пояс» почв и осадков, разлагающихся веществ, корней и т.д., в котором преобладают использование, трансформация и разложение сложных соединений.

30.

31. Правило 10% Линдемана: с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой, более высокий ее уровень (по «лестнице» продуцент – консумент – редуцент), в среднем около 10 % энергии, поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды.

32. Пищевые цепи и сети Пищевая цепь – это последовательность организмов, в которой каждый из них съедает или разлагает другой. Она представляет собой путь движущегося через живые организмы однонаправленного потока поглощенной при фотосинтезе малой части высокоэффективной солнечной энергии, поступившей на Землю. В конечном итоге эта цепь возвращается в окружающую природную среду в виде низкоэффективной тепловой энергии. По ней также движутся питательные вещества от продуцентов к консументам и далее к редуцентам, а затем обратно к продуцентам.Каждое звено пищевой цепи называют трофическим уровнем. Первый трофический уровень занимают автотрофы, иначе именуемые первичными продуцентами. Организмы второго трофического уровня называют первичными консументами, третьего – вторичными консументами и т. д. Существуют два главных типа пищевых цепей – пастбищные (или «выедания») и детритные (или «разложения»). Реальные пищевые связи намного сложнее, ибо животное может питаться организмами разных типов, входящих в одну и ту же пищевую цепь или в различные цепи, что особенно характерно для хищников (консументов) высших трофических уровней. В природе пищевые цепи переплетаются, образуют пищевые (трофические) сети

33. В пастбищных пищевых цепях первый трофический уровень занимают зеленые растения, второй – пастбищные животные (термин «пастбищные» охватывает все организмы, питающиеся растениями), а третий – хищники..В пастбищной трофической цепи (цепь выедания) основу составляют автотрофные организмы, затем идут потребляющие их (консументы) растительноядные животные (например, зоопланктон, питающийся фитопланктоном), потом хищники 1-го порядка (например, рыбы, потребляющие зоопланктон), хищники 2-го порядка (например, щука, питающаяся другими рыбами). Особенно длинны трофические цепи в океане, где многие виды (например, тунцы) занимают место консументов 4-го порядка.

34. В детритных трофических цепях (цепи разложения), наиболее распространённых в лесах, большая часть продукции растений не потребляется непосредственно растительноядными животными, а отмирает, подвергаясь затем разложению сапротрофными организмами и минерализации. Таким образом, детритные трофические цепи начинаются от детрита (органических останков), идут к микроорганизмам, которые им питаются, а затем к детритофагам и к их потребителям — хищникам. В водных экосистемах (особенно в эвтрофных водоёмах и на больших глубинах океана) часть продукции растений и животных также поступает в детритные трофические цепи.

35. Пирамиды численности - на каждом уровне откладывается численность отдельных организмов Пирамида численности отображает отчетливую закономерность: количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается. Например, чтобы прокормить одного волка, необходимо по крайней мере несколько зайцев, на которых он мог бы охотиться; чтобы прокормить этих зайцев, нужно довольно большое количество разнообразных растений. В данном случае пирамида будет иметь вид треугольника с широким основанием суживающимся кверху. Однако подобная форма пирамиды чисел характерна не для всех экосистем. Иногда они могут быть обращенными, или перевернутыми. Это касается пищевых цепей леса, когда продуцентами служат деревья, а первичными консументами - насекомые. Пирамиды чисел наименее информативны и наименее показательны, т.е. численность организмов одного трофического уровня в значительной степени зависит от их размеров.

36. Пирамиды биомасс - характеризует общую сухую или сырую массу организмов на данном трофическом уровне, например, в единицах массы на единицу площади - г/м², кг/га, т/км² или на объем - г/м³ Обычно в наземных биоценозах общая масса продуцентов больше, чем каждого последующего звена. В свою очередь, общая масса консументов первого порядка больше, нежели консументов второго порядка и т.д. В данном случае (если организмы не слишком различаются по размерам) пирамида также будет иметь вид треугольника с широким основанием суживающимся кверху.

37. Пирамиды энергии - показывает величину потока энергии или продуктивности на последовательных уровнях. Пирамида энергии отражая картину скоростей прохождения массы пищи (количества энергии) через каждый трофический уровень пищевой цепи, дает наиболее полное представление о функциональной организации сообществ.

На форму этой пирамиды не влияют изменения размеров и интенсивности метаболизма особей, и если учтены все источники энергии, то пирамида всегда будет иметь типичный вид с широким основанием и суживающейся верхушкой. При построении пирамиды энергии в ее основание часто добавляют прямоугольник, показывающий приток солнечной энергии. Пирамиды энергии позволяют сравнивать энергетическую значимость популяций внутри экосистемы и иллюстрировать количественные отношения в отдельных, представляющих особый интерес частях экосистем, например, в звеньях жертва-хищник или хозяин-паразит.

38. Экологическая пирамида — графические изображения соотношения междупродуцентами и консументами всех уровней (травоядных, хищников, видов, питающихся другими хищниками) в экосистеме. Эффект пирамид в виде графических моделей разработан в 1927 году Ч. Элтоном

Выражается:

· в единицах массы (пирамида биомасс),

· в числе особей (пирамида чисел Элтона)

· в заключенной в особях энергии (пирамида энергий).

При схематическом изображении каждый уровень показывают в виде прямоугольника, длина или площадь которого соответствует численным значениям звена пищевой цепи (пирамида Элтона), их массе или энергии. Расположенные в определенной последовательности прямоугольники создают различные по форме пирамиды.

Основанием пирамиды служит первый трофический уровень - уровень продуцентов, последующие этажи пирамиды образованы следующими уровнями пищевой цепи - консументами различных порядков. Высота всех блоков в пирамиде одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне.

39. Биологическая продуктивность - воспроизведение биомассы растений, микроорганизмов и животных, входящих в состав экосистемы; в более узком смысле — воспроизведение диких животных и растений, используемых человеком. Б. п. реализуется в каждом отдельном случае через воспроизведение видовых популяций растений и животных, идущее с некоторой скоростью, что может быть выражено определённой величиной — продукцией за год (или в иную единицу времени) на единицу площади (для наземных и донных водных организмов) или на единицу объёма (для организмов, обитающих в толще воды и в почве). Продукция определённой видовой популяции может быть отнесена также к её численности или биомассе.

40. Общая величина энергетических затрат организма складывается из затрат энергии в полном покое, дополнительного расхода энергии на пищеварение, всасывание, ассимиляцию, дополнительного расхода на терморегуляцию, расхода на поддержание положения тела, сопротивление току воды и т. и. затраты энергии в полном покое — основной обмен.

41. Под первичной продукцией сообщества (или первичной биологической продукцией) понимается образование биомассы (более точно — синтез пластических веществ) продуцентами без исключения энергии, затраченной на дыхание за единицу времени на единицу площади (например, в сутки на гектар).

42. Общая сумма биомассы, созданной автотрофами, определяется как валовая первичная продукция (ВПП). Примерно 20% энергии, заключенной в ней, расходуется растениями на "дыхание" (на рисунке обозначена буквой R).

43. Чистая продуктивность сообщества — скорость накопления органического вещества, не потребляемого гетеротрофами (а затем и редуцентами). Обычно вычисляется за вегетационный период либо за год. Таким образом, это часть продукции, которая не может быть переработана самой экосистемой. В более зрелых экосистемах значение чистой продуктивости сообщества стремится к нулю

44. Вторичная продуктивность сообщества — скорость накопления энергии на уровне консументов. Вторичную продукцию не подразделяют на валовую и чистую, так как консументы только потребляют энергию, усвоенную продуцентами, часть её не ассимилируется, часть идёт на дыхание, а остаток идёт в биомассу, поэтому более корректно называть её вторичной ассимиляцией.

45.

46. Суточные изменения связаны с изменением силы экологических факторов среды (температура, влажность, освещенность и др.) при смене дня и ночи, которая происходит вследствие вращения Земли вокруг своей оси. Суточные изменения наблюдаются во всех географических зонах, даже там, где нет смены дня и ночи. Они заключаются в изменении активности организмов: одни активны днем, а пассивны ночью, другие - наоборот. Часто наблюдаются суточные миграции (планктон, почвенные организмы). Суточная динамика носит строго периодический характер и в основном связана со сменой активности, в результате чего изменяются качественные характеристики биоценоза. Сезонные изменения связаны с изменением силы экологических факторов при смене сезонов, которая обусловлена вращением Земли вокруг Солнца. Сезонные изменения заключаются не только в изменении активности организмов, но и в их количественных соотношениях. Некоторые виды практически полностью исключаются из жизни биоценоза в определенные периоды (спячка, диапауза, миграции и т.д.). Сезонной изменчивости подвержены и ярусы. Некоторые ярусы могут полностью исчезать на некоторое время (однолетники). Сезонные изменения больше выражены в направлении от экватора к полюсам. В результате сезонных изменений наблюдается изменение не только качественных, но и количественных характеристик биоценоза. Многолетние изменения обусловлены периодичностью локальных изменений климата, которые связаны с изменением общей циркуляции атмосферы, обусловленной в свою очередь усилением или ослаблением солнечной активности. Так, периодически засушливый год сменяется мокрым, теплый -холодным и т.д. Это приводит к довольно значительным изменениям как качественных, так и количественных характеристик биоценоза.

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

48. Процесс сукцессии легче всего проиллюстрировать, начиная с участка голой скалы. Эта среда непригодна для жизни большинства организмов. Очевидно, что первыми ее должны заселить, неприхотливые автотрофы, обладающие к тому же эффективными механизмами расселения, обеспечивающими поступление их зачатков (диаспор) из другого местообитания. К таким организмам (их называют пионерными) относятся некоторые лишайники, водоросли и цианобактерии. Заселяя горную породу, они выделяют растворяющие ее вещества, что обеспечивает эти организмы необходимым минеральным питанием и способствует выветриванию, т. е. дальнейшему разрушению субстрата. Отмирая, первопоселенцы превращаются в MOB, скапливающееся в небольших углублениях и трещинах скал и служащее пищей для детритофагов. С поселением этих последних начинается образование почвы, содержащей питательные вещества, доступные для растений. Растения колонизируют местообитание в определенной последовательности. Сначала появляются устойчивые к широкому диапазону условий виды с распространяющимися на дальние расстояния семенами. Постепенно в ней появляются относительно требовательные к среде, но зато более долговечные и конкурентоспособные виды.

49. Первичная сукцессия – процесс развития и смены экосистем на незаселённых ранее участках земной поверхности. Широко известным примером первичной сукцессии является заселение застывшей лавы после извержения вулкана или склона после схода лавины, уничтожившей весь профиль почвы. Сейчас подобные явления редки, но каждый участок суши в какое-то время прошёл через первичную сукцессию.

50. Вторичная сукцессия – восстановление экосистемы, когда то уже существовавшей на данной территории В качестве примера вторичной сукцессии обычно приводят ельник, уничтоженный после пожара. На занимаемой им ранее территории сохранилась почва и семена. Травяное сообщество образуется уже на следующий год. Дальше возможны варианты: во влажном климате доминирует ситник, затем он сменяется малиной, она — осиной; в сухом климате преобладает вейник, он сменяется шиповником, шиповник берёзой. Под покровом осинового или берёзового леса развиваются растения ели, со временем вытесняющие лиственные породы. Восстановление темнохвойного леса происходит примерно за 100 лет.

51. Сукцессия завершается стадией когда все виды экосистем размножаясь сохраняют относительно постоянную численность и дальнейшей смены её состава не происходит – такое состояние называют климаксом а экосистему климаксовой или зрелой. В разных а6иотичсских условиях формируются различные климаксовые экосистемы. В сухом и жарком климате это будет пустыня; в жарком, но влажном - тропические леса.

52. Суточная динамика. В каждом биогеоценозе имеются группы организмов, активность жизни которых выпадает на разное время суток. Одни активны в ночное время, а днем скрываются в каких-либо убежищах. Другие ночью пассивны. Таким образом, наблюдаются периодические изменения в составе и соотношении отдельных популяций экосистемы. Суточную динамику проявляют не только животные, но и растения (фотосинтез невозможен в темноте; некоторые цветы раскрываются только ночью и опыляются ночными животными). Суточные ритмы прослеживаются в сообществах всех зон, от тропиков до тундр. Многолетняя динамика. Нормальное явление в жизни любой экосистемы. Она зависит от изменений по годам метеорологических (климатических) условий и других внешних факторов, действующих на сообщество. Кроме того, многолетняя периодичность может быть связана с особенностями жизненного цикла растений-эдификаторов с повторением массовых размножений животных или патогенных для растений микроорганизмов и т. д. Сезонная динамика экосистем определяется сменой времен года. Это выражается в изменении не только состояния и активности организмов отдельных видов, но и их соотношения. В первую очередь сезонная динамика затрагивает видовой состав. Неблагоприятные сезонные погодные условия заставляют многие виды мигрировать в районы с лучшими условиями существования. У видов же, остающихся зимовать в экосистеме, значительно изменяется их жизненная активность. Большинство видов деревьев и кустарников на зиму сбрасывает листву. Приостанавливается активное деление клеток образовательной ткани. Вегетативные органы однолетних растений отмирают.

53. С экологической точки зрения среда обитания (окружающая среда) – это природные тела и процессы, с которыми данный организм находится в прямых или косвенных отношениях. Среда обитания характеризуется огромным разнообразием пространственных и временных элементов, условий и явлений, которые рассматриваются в качестве экологических факторов. Таким образом, экологический фактор – это любой элемент, условие или явление окружающей среды, способные оказать прямое или косвенное влияние на живые организмы, хотя бы на протяжении одной из фаз их индивидуального развития. Экологические факторы классифицируются по нескольким критериям. Абиотические факторы – это факторы неорганической (неживой) природы. К ним относят, прежде всего, климатические (солнечный свет, температура, влажность, осадки, газовый состав и движение воздуха, атмосферное давление), гидрологические (плотность, прозрачность, температура и кислотность воды, течение, содержание минеральных и органических веществ, газовый состав), почвенные (механическая структура, минеральный и органический состав, кислотность, влажность, температура и газовый состав), топографические (высота над уровнем моря, рельеф, экспозиция и крутизна склона), огонь. К абиотическим факторам относят также физические поля (гравитационное, магнитное, электромагнитное), ионизирующую и проникающую радиацию, движение сред (акустические колебания, волны, ветер, течения, приливы), суточные и сезонные изменения в природе и другие внешние факторы периодичности или цикличности. Эти факторы могут влиять на организм непосредственно, как свет или тепло, либо косвенно, как, например, рельеф, который обусловливает действие непосредственных факторов – освещённости, увлажнения, ветра и т.п. Биотические факторы – это прямые или опосредованные воздействия других организмов, населяющих среду обитания данного организма. Все биотические факторы обусловлены внутривидовыми (внутрипопуляционными) и межвидовыми (межпопуляционными) взаимодействиями. Внутривидовые факторы – это контакты между членами семьи, группы, стада, популяции одного вида – отношения полов, размножение, уход за потомством, взаимопомощь и защита или, наоборот, возникновение внутривидовой конкуренции, отношений доминирования и подчинения, иерархии в стаде или в популяции. Межвидовые факторы – это контакты между особями и популяциями разных видов. Взаимоотношения между организмами сложнее абиотических воздействий. Выделяют следующие формы биотических отношений: конкуренция, хищничество, паразитизм, аменсализм, симбиоз, комменсализм, нейтрализм и др.