Обмен веществ и энергии экосистем

Все вещества нашей планеты участвуют в процессе обмена. Под действием энергии Солнца на Земле происходят малый и большой круговорот веществ. Большой круговорот веществ называется биосферным, так как он охватывает всю биосферу. Для большого круговорота характерны две особенности. Во-первых, он проходит во всех геологических эрах земного шара, способствует развитию планеты Земля. Этот обмен веществ иногда называют геологическим. Во-вторых, большой (геологический) круговорот считается современным планетарным процессом, участвующим в развитии будущей биосферы.

В процессе геологического круговорота осуществляется перенос минеральных соединений с одного места на другое в масштабе всей планеты.

Геологический круговорот наиболее четко проявляется в круговороте воды и циркуляции воздушной массы в атмосфере (рис. 80).

Рис. 80. Круговорот воды в природе (цифры даны в тыс. км3 в год)

Круговорот воды в океане и на суше обеспечивает равномерную жизнь на Земле.

Круговорот воды в природе состоит из трех основных течений: осадков, испарений и переноса влаги. Осадки (в виде дождя или снега) поступают в результате испарения опять в атмосферу. Поверхностные и грунтовые воды стекают в океан, а водяные пары с помощью атмосферных воздушных потоков переносятся с океана на сушу.

Малый круговорот веществ в природе иногда называют биологическим круговоротом. На базе большого круговорота возникает малый, но он охватывает только отдельные экосистемы. Малый круговорот веществ оказывает влияние на процессы большого круговорота. В процессе малого круговорота веществ (биологического) вещества и энергия поступают извне, а вещества и энергия, выделяемые экосистемой, поступают опять в биосферу. В связи с этим биологический круговорот рассматривают как обмен веществ и энергии в экосистемах или в отдельном организме. С появлением на Земле живых организмов химические элементы беспрерывно циркулируют, например круговорот азота, углерода и других химических элементов.

Каждая экосистема природы связана со взаимоотношениями биоценозов и условий среды. Во время биологического круговорота в экосистеме происходят два взаимно противоположных, но тесно связанных между собой процесса. Если на первом этапе этого процесса образуются новые органические вещества, то на втором органические вещества постоянно распадаются. Образование органических веществ осуществляется путем фиксации углекислого газа растениями в процессе фотосинтеза. Основным источником энергии при этом являются солнечные лучи. Из почвы через корни в листья растений поступают растворенные минеральные соли и вода, а из воздуха впитывается углекислый газ, и зеленые растения в своих органах образуют органические вещества.

В результате обмена веществ и энергии каждая экосистема сохраняет свою устойчивость. Этот процесс осуществляется через пищевую цепь. Обмен веществ и отдельно взятой энергии можно рассматривать на примере экосистемы озера. В озеро непрерывно поступает извне энергия в виде солнечных лучей. Водные растения из углекислого газа и воды под действием солнечных лучей образуют органические вещества. Автотрофные организмы, образующие органические вещества из неорганических, называютсяпродуцентами (производителями). Животные используют готовые органические вещества — растения. Организмы, которые используют в пищу готовые органические вещества, называются гетеротрофными, или консументами (потребителями). Бактерии и некоторые грибы, разлагающие органические вещества, называются редуцентами (разлагателями).

Таким образом, органические вещества, заключенные в растениях, переходят в организм животных, которые разлагаются бактериями на неорганические вещества. Затем вновь эти неорганические вещества используются растениями. Так происходит непрерывный процесс обмена веществ и энергии в каждой экосистеме (схема 9).

Схема 9

Биохимический круговорот

Солнечная энергия продуцентов собирается в органическом веществе. Некоторая ее часть поступает в распоряжение самого растения (на транспорт веществ в клетке, на образование новых необходимых органических соединений), вторая часть энергии выделяется в виде тепла при дыхании. Остальную часть энергии используют консументы. Небольшая часть энергии, распространяемая в виде тепла в окружающую среду, не участвует в образовании биомассы организмов, поэтому для равномерной жизни экосистемы необходим постоянный приток энергии.

Продуктивность основных экосистем. Биомасса любой экосистемы и образованная продукция — основной показатель, обеспечивающий нормальную жизнедеятельность данной экосистемы. Общее количество органического вещества всей совокупности особей с заключенной в нем энергией называют биомассой. Биомассу обычно выражают в единицах массы в пересчете на сухое вещество на единицу площади или объема. Общий прирост биомассы за определенный период времени называют продукцией. В любой экосистеме различают первичную и вторичную продукцию.

Органические вещества, образованные продуцентами в процессе фотосинтеза или хемосинтеза, называются первичной продукцией. Биомасса, образованная за определенный промежуток времени редуцентами и консументами экосистемы, называетсявторичной продукцией. Первичная продукция делится на два вида: первичная общая продукция и первичная чистая продукция.

Только небольшая часть поступающей на Землю солнечной энергии используется растениями; 44% коротковолновых излучений, выделяемых солнечной энергией, участвует в процессе фотосинтеза. Их называют активной фотосинтезирующей радиацией (излучение). Но не все активные фотосинтезирующие излучения поглощаются растениями, а только 25% энергии запасается в форме органического вещества. Эта энергия называется начальной (первичной) валовой продукцией. Большая часть начальной валовой продукции используется на дыхание растений. Например, в лесах умеренного пояса 50—60%, а в тропических лесах — 80% начальной общей продукции расходуется на дыхание. Оставшаяся энергия переходит к питающимся растениями консументам. Это так называемая чистая продукция. На чистую начальную продукцию влияют такие факторы, как фотосинтезиру- ющее активное излучение, вода, необходимая для растений, количество минеральных веществ, плодородие почвы и др.

Воспроизведение биомассы всех живых организмов каждой экосистемы называется биологической продуктивностью. Биологическая продуктивность производится за определенный промежуток времени, например определяется за сезон, за год, за несколько лет. Биологическая продуктивность считается главным показателем малого круговорота веществ и энергии. Количество биологической продуктивности, образующейся в каждой последующей пищевой цепи малого круговорота веществ и энергии, меньше начальной цепи в 5—10 раз.

Различна и образующаяся биомасса биологической продуктивности каждой экосистемы. Например, луговые степи дают больший годовой прирост биомассы, чем хвойные леса. Популяция мелких млекопитающих по сравнению с крупными обладает большей скоростью роста и размножения и дает более высокий прирост при равной биомассе. Если воспроизведение биологической продуктивности в тундре и пустыне мало, то в тропических лесах оно очень высокое.

Геологический круговорот. Биологический круговорот. Первичная продукция. Вторичная продукция. Первичная валовая продукция. Первичная чистая продукция. Биологическая продуктивность.

1. В природе беспрерывно протекают биосферный (большой) и биологический (малый) круговорот веществ и энергии.

2. Обмен веществ и энергии каждой экосистемы осуществляется через пищевые цепи.

3. Пищевая цепь в экосистеме проходит в определенной последовательности: использование продуцентов консументами (первого, второго порядка и т. д.), консументов — редуцентами.

4. Прирост биомассы определяется количеством биологической продуктивности.

5. Начальная (первичная) продукция определяется количеством биомассы, образованной продуцентами.

6. Вторичная продукция выражается количеством биомассы, образованной консументами и редуцентами.

1.  Какие виды круговорота веществ на Земле существуют?

2.  Какие организмы относятся к продуцентам, консументам и редуцентам?

3.  Из каких составных частей состоит экосистема?

1.  Дайте характеристику геологического круговорота.

2.  Какие условия влияют на сохранение устойчивости экосистемы?

3.  На какие группы делится продукция, образованная в экосистеме?

1.  Дайте характеристику особенностей первичной (валовой) продукции.

2.  Что такое валовая и чистая продукция?

3.  Объясните на примере биологическую продуктивность экосистемы.