Наиболее интенсивный круговорот веществ характерен для экосистемы. Факторы, которые обеспечивают целостность экосистем

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ (АГРОЭКОСИСТЕМЫ)

1. РОЛЬ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА В ФОРМИРОВАНИИ ПЕРВИЧНОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ

1.1. Биопродуктивность агроэкосистем.

1.2. Пределы вмешательства в природу.

2.ТИПЫ, СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ АГРОЭКОСИСТЕМ

2.1. Понятие «агроэкосистемы».

2.2. Типы агроэкосистем.

3. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ И ПОТОКИ ЭНЕРГИИ В АГРОЭКОСИСТЕМАХ

1. РОЛЬ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА В ФОРМИРОВАНИИ ПЕРВИЧНОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ

Биопродуктивность агроэкосистем.В процессе взаимодействия с природой человечество постоянно решало первей­шую задачу жизнеобеспечения - произ­водство продуктов питания (единствен­ного источника получения человеком энергии). «Производство продуктов пи­тания является самым первым условием жизни непосредственных производите­лей и всякого производства вообще...»*.

Не случайно одна из древнейших от­раслей не только сельскохозяйственно­го производства, но и производствен­ной деятельности человека в целом - земледелие. Нельзя не вспомнить, что в Древней Греции и Риме понятие «куль­тура» касалось умелой и правильной об­работки почвы, возделывания земли. Термин «культура», как известно, про­исходит от возделывания, культивиро­вания растений.

Процесс перехода от собирательства к примитивным, а в последующем и к более совершенным системам земледе­лия, к более совершенному ведению сельского хозяйства в целом, стимули­руя рост производства продовольствен­ных ресурсов, способствовал увеличе­нию значения аграрного сектора в фор­мировании первичной биологической продукции. Это весьма благоприятство­вало росту численности населения пла­неты (рис. 7.1). Биомасса людей по сравнению с доагрокультурной эпохой значительно выросла благодаря сельс­кохозяйственному производству, ин­тенсивность которого зависит от акку­мулируемой энергии. В современной биосфере в антропогенный канал, обра­зуемый людьми и домашними живот­ными, поступает около 1,6- 1013 Вт, что соответствует примерно 25 % общей первичной продукции растений (Горш­ков, 1995). Столь весомое увеличение первичной продукции, потребляемой человечеством, происходит уже не толь­ко за счет солнечной энергии, но и под воздействием дополнительных энерге­тических источников. При этом, по мнению академика РАСХН, сложившиеся суждения о том, что в сельскохозяйственном производ­стве уменьшается значение солнечной энергии и возрастает роль энергии ант­ропогенного происхождения, являются необоснованными. Примерно 95% су­хою вещества растений -это аккуму­лированная в процессе фотосинтеза энергия Солнца, а сама продуктивность агроценозов обеспечивается в первую очередь за счет свободно протекающих в растениях и почве биологических процессов. Привносимая в агроэкосистемы «антропогенная энергия» не заменяет (и не может заменить) солнечную энер­гию, а выступает в роли своеобразного катализатора, стимулирующего более активное ее использование (усвоение).

Непреходящее значение имело также существенное расширение спектра рас­тений, выращиваемых для получения пищевых ресурсов.

Человечество ежегодно потребляет 8,76 млрд т продуктов сельскохозяй­ственного производства, которые со­держат около 1,5 1020 Дж энергии (Дю-виньо, Танг, 1973). Около 90% заклю­ченной в этих продуктах энергии обес­печивается растениеводческой
продук­цией (Андерсон, 1985):

На земном шаре культивируется не­многим более 80 видов главных сельс­кохозяйственных культур. На зерновые приходится около 60 % мирового про­изводства продуктов питания (из них более 40 % - на рис и пшеницу). Злако­вые культуры дают почти 50 % белка, потребляемого человеком.

Рассматривая теоретический макси­мум выработки органических веществ в результате фотосинтеза в различных экологических областях, по­казал, что основную долю продуктов питания поставляют обрабатываемые земли, хотя их площадь и невелика по сравнению с водными пространствами и лесами. По возможному количеству годных в пищу органических веществ обрабатываемые земли значительно превосходят любые другие области зем­ного шара. Однако теоретическая про­дуктивность обрабатываемых земель, подсчитанная лишь с учетом климати­ческих условий, незначительна по срав­нению с продуктивностью океанов и ле­сов.

Управление сельскохозяйственными экосиcтемами для увеличения первич­ной биологической продуктивности, расширения видового разнообразия возделываемых культур, обеспечения необходимого качественного состава производимых продуктов, наличия в них требующихся человеку белков, витаминов , минеральных веществ и дру­гих необходимых ингредиентов, а также отсутствии или минимизации нежела­тельных компонентов - первостепен­ные функциональные задачи. Их реше­ние связоно с использованием как нево­зобновимых, так и возобновимых при­родных ресурсов, что в определенной степени служит первопричиной обо­стрения экологических проблем.

XIX в. и первая половина XX в. от­мечены активным заселением и освое­нием плодородных участков планеты. Относительно свободными от антропо­генного влияния остаются пока что об­ласти, достаточно сложные для освое­ния, требующие больших затрат, а так­же выполняющие чрезвычайно важную экологическую функцию поддержания стабильности биосферы, к примеру тропические леса. Таким образом, уве­личение производства продуктов пита­ния в первую очередь должны обеспе­чивать уже возделываемые земли, т. е. процесс получения первичной биоло­гической продукции заведомо носит интенсивный характер.

Во второй половине XX в. было представлено особенно много предпо­ложительных сведений о первичной биологической продуктивности как ес­тественных природных систем, так и сформированных человеком агроценозов. Рассматривались также и потенциа­лы отельных составляющих природ­ных систем (табл. 7.2). В целом для пла­неты теоретический максимум продуцирования органических веществ за счет климатического потенциала фото­синтеза можно принять в пределах 330 млрд т в год.

Между тем доля указанной массы (330 млрд т), пригодная для питания, оказывается на выходе существенно ниже. Практически даже с возделывае­мых земель менее 50 % получаемой био­логической продукции трансформиру­ется в пищевой ресурс. Производство продуктов земледелия, пригодных в пищу, в среднем в год равно 14 млрд т (максимальная теоретическая величи­на). В формировании первичной биоло­гической продуктивности не менее су­щественную роль, чем климатический фактор, играют значительные различия в зональном распределении почвенных разностей. При учете этого фактора вы­ясняется, что биологическая продуктив­ность суши планеты еще ниже.

Р. Эйрес пришел к выводу, что миро­вое сельскохозяйственное производство пока что достигло примерно 15 % мак­симально возможного объема, т. е. име­ются значительные резервы наращива­ния первичной биологической продук­ции, формируемой в сфере сельского хозяйства. При этом требуется привне­сение дополнительной «антропогенной энергии» (средства химизации, техно­логии механизации, приемы мелиора­ции и др.). Здесь-то, как свидетельству­ет многолетняя практика, возникают и развиваются противоречивые отноше­ния. С одной стороны, использование достижений науки и техники, масштабы производства - необходимое условие удовлетворения потребностей человека. С другой стороны, все это отрицательно влияет на природу, что проявляется в истощении и уничтожении естествен­ных ресурсов, нарушении механизмов саморегуляции и стабильности экосис­тем, загрязнении среды.

Пределы вмешательства в природу.По мере развития сельскохозяйственных экосистем, создаваемых для получения максимума продукции, воздействие на природу, обусловленное перераспреде­лением энергии и веществ на поверхности Земли, постоянно возрастает. Со­вершенствование орудий труда, внедре­ние высокоурожайных культур и сортов, требующих большого количества питательных веществ, стали резко нарушать природные процессы. Необосно­ванные земледельческие приемы и сис­темы земледелия действуют опустоша­юще (эрозия почв и утрата плодородия вследствие нерационального использо­вания и несоблюдение предупредительных мер и технологий охраны почв; за­соление и заболачивание орошаемых массивов; изменение структуры почв из-за чрезмерного переуплотнения вер­хних горизонтов; снижение биологи­ческого разнообразия естественных ландшафтов в результате длительного выращивания растений одного вида; нарастание дефицита подземных пре­сных вод из-за истощения водоносных горизонтов при интенсивном заборе воды на орошение; загрязнение поверх­ностных и подземных вод остатками пе­стицидов и нитратов, поступающих с сельскохозяйственных угодий; исчезновепие диких животных в результате раз­рушения мест их обитания сельскохо­зяйственной деятельностью и многое другое).

Для регулирования и решения этих проблем предлагают научно обоснован­ные приемы и способы, позволяющие в определенных случаях лишь частично предотвратить или снизить нежелатель­ные эффекты, возникающие при полу­чении первичной биологической про­дукции в различных условиях хозяй­ствования. Однако целостная внутренне непротиворечивая теория долгосрочной оптимизации формирования первичной продукции на основе сельскохозяй­ственного производства пока еще не со­здана. Идет процесс ее становления на базе синтеза научных положений мно­гих наук. При формировании систем получения первичной биологической продукции выбор той или иной модели интенсивного аграрного природополь­зования определяется балансом между экономическими и экологическими ар­гументами. На фоне роста технических возможностей человечества по освое­нию природных систем для целевого формирования первичной сельскохо­зяйственной продукции экономика вы­ступает в качестве своеобразного фильт­ра целесообразности и допустимости проводимых мер. Технические возмож­ности и технологические решения (об­воднение, орошение, террасирование, культуртехнические мероприятия и др.) неуклонно расширяли, а экономичес­кие ограничения сужали диапазон хо­зяйственного использования почвенно­го покрова планеты.

В последние десятилетия на равный, а во многих случаях и на более высокий уровень выходят экологические ограни­чения. Существует объективный при­родный предел-порог снижения есте­ственного плодородия, при приближе­нии к которому вся техническая мощь человека, созданные им высокопроиз­водительные искусственные средства становятся менее эффективными, но при этом избыточно нарастают по мас­штабам и глубине проявления отрица­тельные экологические последствия. Решая насущные проблемы, необходи­мо учитывать пределы допустимого вмешательства в естественный и непрерывный ход процессов. Сложившаяся тенденция «наполнения» агроэкосистсм искусственными средствами, создавая иллюзорность благополучия, лишь вуа­лирует фактическое истощение их при­родного потенциала. Например, мине­ральные удобрения не могут служить долговременным средством обеспече­ния устойчивого производства различ­ных культур, поскольку при широко­масштабном применении интенсифи­цируют расход капитальных почвенных резервов, способствуя тем самым паде­нию природного плодородия, что под­тверждается значительным уменьшени­ем запасов гумуса.

Характерной особенностью второй половины XX в. явилось существенное увеличение первичной биологической продукции в сфере сельскохозяйствен­ного производства за счет повышения урожайности в результате так называе­мой «зеленой революции» - внедрения новых высокоурожайных сортов зерно­вых культур, применения в высоких до­зах минеральных удобрений, использо­вания экономически эффективных (но экологически небезопасных) средств за­щиты растений. В результате с 1950 по 1970 г. значительно возрос выход основ­ного продукта питания - зерна. Одна­ко, как отмечают и в обстоятельной теорети­ческой статье «Биологические аспекты развития агроэкологии» (1996), с начала 80-х гг. XX в. этот показатель перестал расти, что явилось отражением дей­ствия закона снижения энергетической эффективности природопользования . По (1990), данный за­кон гласит: при прочих равных услови­ях дополнительное увеличение вложе­ний энергии дает более низкий эффект, чем ранее затраченная энергия (поднять, урожайность с 2 до 2,5 т/га энергетичес­ки дешевле, чем с 5 до 5,5 т/га). , характеризуя энергетическую эффективность сельского хозяйства СССР за гг., пришел к выво­ду, что в условиях затратной экономики вложенная энергия не только не давала отдачи, но и переходила в форму «отри­цательной энергии» разрушения почв и кормовых угодий.

В последнее время особое значение приобретает качество производимой продукции. Анализируя в ретроспек­тивном плане опыт других стран, следу­ет констатировать, что пока не будет ликвидирован прессинг дефицита сельскохозяйственной продукции, вопросы экологии неизменно будут иметь под­чиненное значение. И только по мере насыщения рынка продовольствием экологические требования и ограниче­ния выходят на первый план. Поэтому при оценке проблем сельскохозяй­ственного формирования биологичес­кой продукции необходимо различать задачи ближайших лет и более отдален­ную перспективу.

2. ТИПЫ, СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ АГРОЭКОСИСТЕМ

Понятие «агроэкосистемы».Сельское хозяйство существенно трансформирует природные комплексы. В результате сформировались разнообразные антропогенные сельскохозяйственные образования (пашни, садовые насаждения, .тута, пастбища и т. д.), занимающие около трети суши, в том числе почти 1,5 млрд га пашни. Территории, подле­жащие ежегодной перепашке, требую­щие внесения удобрений, регулярного формирования искусственных (управ­ляемых) фптоценозов, относятся к сель­скохозяйственным образованиям полевого типа. Сады, ягодники, виноград­ники , плантации чая и кофейного дере­ва-садовые образования; они пред­ставляют собой многолетние фитоценозы. Наибольшую территорию в качестве базы для получения сельскохозяйствен­ной продукции занимают луга и пастбища, простирающиеся от тропических саванн до субарктической зоны на пло­щади более 3 млрд га. В этих угодьях процесс формирования первичной био­логической продукции идет естествен­ным путем, и используется она для по­лучения вторичной биологической продукции (разведение и содержание различных видов одомашненных жи­вотных, размножающихся под присмот­ром и управлением человека).

В сфере сельского хозяйства первич­ным структурным звеном, где, соб­ственно, и происходит взаимодействие человека с природой, являются функци­ональные единицы - агроэкосистемы (или агробиогеоценозы). Надо, однако, отметить, что понятие это воспринима­ется неоднозначно. К примеру, по мне­нию Ю. Одума (1987), агроэкосисте­мы - это одомашненные экосистемы, которые во многих отношениях занима­ют промежуточное положение между природными экосистемами (луга, леса) и искусственными (города). Другой американский агроэколог Р. Митчелл считает, что подобно тому как морские свинки -это не обитатели моря и не представители отряда парнокопытных, так и агроэкосистемы - это не настоя­щие экосистемы, но и не самодовлею­щие сельскохозяйственные единицы. Во всех агроэкосистемах экономичес­кие соображения влияют на структуру посевов и набор культур.

Некоторые исследователи считают, что роль человека, под управлением ко­торого находится агроэкосистема, на­столько значительна, что следует гово­рить об артеприродной основе агроэкосистем. Действительно, агроэкосистемы сходны с урбанизированными и про­мышленными системами своей зависи­мостью от внешних факторов, т. е. от окружающей среды на входе и выходе системы. Однако в отличие от них агро­экосистемы по преимуществу автотроф-пы.

В свете современных представлений агроэкосистемы(агробиогеоценозы) - вторичные, измененные человеком биогеоценозы, ставшие значительны­ми элементарными единицами био­сферы; их основу составляют искусст­венно созданные, как правило, обед­ненные видами живых организмов биотические сообщества. Эти сообще­ства формируют и регулируют люди для получения сельскохозяйственной продукции. Агроэкосистемы отлича­ются высокой биологической продук­тивностью и доминированием одного или нескольких избранных видов (сор­тов, пород) растений или животных. Выращиваемые культуры и разводимые животные подвергаются искусственно­му, а не естественному отбору. Как экологические системы агроэкосисте­мы неустойчивы: у них слабо выражена способность к саморегулированию , без подержки человеком они быстро рас­падаются или дичают и трансформиру­ются в естественные биогеоценозы (на­пример, мелиорированные земли - в болота, насаждения лесных культур - в лес).

Агроэкосистемы с преобладанием зер­новых культур существуют не более од­ного года, многолетних трав - 3...4 года, плодовых культур - 20...30 лет, а затем они распадаются и отмирают. Полезащитные лесные полосы, являющиеся элементами агроэкосистем, в степной зоне существуют не менее 30 лет. Одна­ко без поддержки человеком (рубки ухода, дополнения) они постепенно «дичают», превращаясь в естественные экосистемы, или погибают. Преоблада­ющая разновидность агроэкосистем искусственные фитоценозы: окульту­ренные (планомерно эксплуатируемые луга и пастбища); полукультурные (не­постоянно регулируемые искусствен­ные насаждения - сеяные, многолет­ние луга); культурные (постоянно регу­лируемые многолетние насаждения, по­левые и огородные культуры); интен­сивно культурные (парниковые и оран­жерейные культуры, гидропоника, аэропоника и другие, требующие созда­ния и поддержания особых почвенных, водных и воздушных условий). Управ­ление агроэкосистемой осуществляется извне и подчинено внешним целям.

Заслуживает внимания определение (1991), назвавшею аг­роэкосистемы специальным видом эко­систем сельскохозяйственного поля, на котором произрастают культурные рас­тения, обитают другие виды растений и животных и происходит сложная цепь физических и химических трансформа­ций энергии и вещества.

и предложили схему функционирования агроэкосистемы (рис. 1).

Землепользование" href="/text/category/zemlepolmzzovanie/" rel="bookmark">землепользование - богарные, орошае­мые агроэкосистемы (ротации зерно­вых, бобовых, кормовых, овощных, бах­чевых, технических и лекарственных, культур).

2.Плантационно-садовое земле­пользование - плантационные агро­экосистемы (чайный куст, дерево какао, кофейное дерево, сахарный тростник), садовые агроэкосистемы (плодовые сады, ягодники, виноградники).

3. Пастбищное землепользование-пастбищные агроэкосистемы (отгонные пастбища: тундровые, пустынные, гор-

139ные; лесные пастбища; улучшенные паст­бища; сенокосы; окультуренные луга).

4. Смешанное землепользование - смешанные агроэкосистемы, характе­ризующиеся равнозначным соотноше­нием и сочетанием нескольких видов землепользования, а также процессов получения как первичной, так и вто­ричной биологической продукции.

5. Землепользование в целях произ­водства вторичной биологической про­дукции - агропромышленные экосис­темы (территории интенсивного «инду­стриализированного» производства мо­лока, мяса, яиц и другой продукции на основе преобладающих процессов снаб­жения системы веществом и энергией извне).

По энергетическим вложениям вы­деляют агроэкосистемы до индустриальные с дополнительной энергией в виде мышечных усилий человека и живот­ных. Агроэкосистемы этого типа, как правило, гармонирующие с природны­ми экосистемами, занимают значитель­ные площади пахотных земель в странах Азии, Африки и Южной Америки . Раз­личают также агроэкосистемы второго типа, требующие постоянного дополни­тельного привнесения энергии.

3. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ И ПОТОКИ ЭНЕРГИИ В АГРОЭКОСИСТЕМАХ

Сельскохозяйственным экосистемам свойственна разомкнутость биотического круговорота. Разомкнутость круговорота хи­мических элементов определена особенностями организации сельскохозяйственных экосистем, их структурой и функцией, той ролью, какую они выполняют. Основное назначение сельскохозяй­ственных экосистем - снабжать население продуктами растение­водства и животноводства. Эту задачу можно решить только за счет коренной перестройки потоков веществ в сельскохозяйственных экосистемах и в окружающей их среде. Фитомассу, выращенную на полях, в садах, огородах, теплицах, используют в аграрном ланд­шафте лишь отчасти - для питания сельского населения и кормле­ния сельскохозяйственных животных. Эта относительно неболь­шая часть биомассы преобразуется в сельскохозяйственных экосис­темах и возвращается в почвы агробиогеоценозов в форме навоза. Макро - и микроэлементы, изъятые из почв с урожаем, не полнос­тью возвращаются в нее с навозом. С органическими удобрениями возмещается только приблизительно четвертая часть химических элементов, изъятых из почв с урожаем. Большая часть химических элементов, связанных в фитомассе, в виде зерна, корне- и клубне­плодов, фруктов мигрирует за пределы сельскохозяйственных эко­систем, главным образом для снабжения городского населения продуктами питания, для обеспечения нужд промышленности рас­тительным сырьем.

За пределы сельскохозяйственных экосистем мигрируют хими­ческие элементы, содержащиеся не только в фитомассе, но и в зоо­массе - в телах сельскохозяйственных животных и птиц, в получае­мых от них продуктах: молоке, шерсти, яйцах и т. д.

Химические элементы, экспортируемые с продуктами растение­водства и животноводства за пределы аграрных ландшафтов, вык­лючаются из биотического круговорота сельскохозяйственных эко­систем. Поступая с экскрементами людей в канализационные сис­темы городов, других населенных пунктов, они вовлекаются в гео­логический круговорот.

Утечке химических элементов из сельскохозяйственных экосис­тем способствует традиционный способ утилизации трупов павших животных. Химические элементы, содержащиеся в них, при захо­ронении в могильники надолго выключаются из биотического кру­говорота сельскохозяйственных экосистем.

Биотический круговорот нарушается также в результате притока в сельскохозяйственные системы минеральных, азотных , фосфор­ных, калийных удобрений, пестицидов и других веществ.

В сельскохозяйственные экосистемы ежегодно поступает значи­тельное количество разнообразных пестицидов, предназначенных для борьбы с вредными насекомыми, сорными растениями и други­ми вредителями сельского хозяйства. Пестициды включаются в пи­щевые цепи и биотический круговорот.

Следовательно, в сельскохозяйственных экосистемах изменя­ется баланс химических веществ: приток - отток. Это влияет на геохимическую обстановку в аграрных ландшафтах, состояние флоры и фауны, биологическую продуктивность и воспроизводительную способность культурных растений.

Благодаря пищевым цепям, в экосистеме, наряду с перемещением энергии, происходит и транспортировка различных химических элементов. Как и в случае с энергетическими потоками, движущей силой круговорота веществ служит солнечная энергия. Это связано с тем, что в биомассе организмов происходит накопление тех или иных химических веществ, а, значит, при переходе энергии по пищевым цепям также осуществляется и передача веществ, содержащихся в биомассе. Поток веществ сопровождает собой поток энергии в экосистеме, который, в свою очередь, берет начало от энергии солнечного света. Круговорот химических веществ обусловлен также влиянием абиотических составляющих экосистемы (например, климатическим фактором), а также активной хозяйственной деятельностью человека. Потоки веществ в экосистеме объединены понятием биогеохимический круговорот. Биогеохимический круговорот - циркуляция в биосфере хиимческих элементов и неорганических соединений по характерным путям из внешней среды в организмы и из организмов во внешнюю среду. Химические элементы, участвующие в круговороте, не бывают равномерно распределены по всей экосистеме. Кроме того, они могут находиться в различных химических формах. Поэтому, при изучении биогеохимических циклов следует выделить две части.

1) Резервный фонд - большая масса медленно движущихся веществ, в основном не связанных с организмами. Он сосредоточен в земной коре, атмосфере и гидросфере. Перемещение веществ в резервном фонде происходит благодаря влиянию абиотических факторов экосистемы.

2) Обменный фонд. Он представляет собой неорганические вещества, содержащиеся в живых организмах. Для него характерно быстрое перемещение химических элементов между органической и неорганической средами.

По своей природе биогеохимические циклы также подразделяются на две категории. Первая из них - круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере. Другая же представляет собой осадочный цикл (т.е. круговорот твердых веществ) с резервным фондом в земной коре. Круговорот газообразных веществ отличает его способность к поддержанию определенных концентраций тех или иных газов, причем концентрации будут примерно одинаковыми во всех точках атмосферы и гидросферы. В осадочных циклах скорость потока веществ намного ниже, чем в газообразном круговороте, так как основная масса их сосредоточена в земной коре, отличающейся своей малоподвижностью и малоактивностью. Из-за этого, способность к саморегуляции в осадочном круговороте не так велика, как в случае с циркуляцией газообразных веществ.

Схему биогеохимического круговорота можно изобразить в сочетании с упрощенной схемой потока энергии пищевой цепи, приводящем в движение круговорот веществ. Данная схема представляет собой кольцо, направленное от автотрофам к гетеротрофам, а затем замыкающегося на автотрофах. Из данного изображения видно, что при изучении биогеохимических круговоротов главное внимание уделяют резервному фонду, то есть части круговорота, физически и химически отделенной от живых организмов.

Схема биогеохимического круговорота.

При изображении биогеохимических циклов отдельных веществ акцент делается на обмене между организмами и резервным фондом, а также на путях движения веществ внутри экосистемы. В связи с этим, любую экосистему можно представить в виде ряда блоков, через которые проходят различные вещества, и в которых данные вещества могут оставаться на протяжении различных периодов времени. В круговоротах минеральных веществ в экосистеме обычно участвуют три блока: живые организмы, мертвый органический детрит и доступные неорганические вещества. В качестве примеров биогеохимических циклов можно рассмотреть круговороты азота, фосфора и серы. Концентрация азота и фосфора в экосистеме часто напрямую влияют на численность организмов в экосистеме (т.е. являются лимитирующими факторами), а круговорот серы может служить наглядной иллюстрацией связей, сложившихся между атмосферой, гидросферой и земной корой.

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 вучае азот, содержащийся в них, выпадает из круговорота веществ.

Схема круговорота азота.

В отличии 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 обменый 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 беогеохимического 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.

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.

Схема круговорота фосфора.

В заключении, необходимо рассмотреть биогеохимические циклы углерода и воды. 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, а также сжигание ископаемого топлива человеком.

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. Не следует забывать и о потреблении воды 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.

Схема круговорота серы.

Схема круговорота углерода.

Схема круговорота воды.

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.

Является выдающийся русский ученый академик В.И. Вернадский.

Биосфера

— сложная наружная оболочка Земли, в которой содержится вся совокупность живых организмов и та часть вещества планеты, которая находится в процессе непрерывного обмена с этими организмами. Это одна из важнейших геосфер Земли, являющаяся основным компонентом природной среды, окружающей человека.

Земля состоит из концентрическихоболочек (геосфер) как внутренних, так и внешних. К внутренним относятся ядро и мантия, а к внешним:литосфера - каменная оболочка Земли, включая земную кору (рис. 1) толщиной от 6 км (под океаном) до 80 км (горные системы);гидросфера - водная оболочка Земли;атмосфера — газовая оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли.

На высоте от 10 до 50 км расположен слой озона, с максимальной его концентрацией на высоте 20-25 км, защищающий Землю от чрезмерного ультрафиолетового излучения, гибельного для организма. Сюда же (к внешним геосферам) относится и биосфера.

Биосфера -

внешняя оболочка Земли, в которую входят часть атмосферы до высоты 25-30 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины 3 км

Рис. 1. Схема строения земной коры

(рис. 2). Особенность этих частей состоит в том, что они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты. Взаимодействиеабиотической части биосферы — воздуха, воды, горных пород и органического вещества -биоты обусловило формирование почв и осадочных пород.

Рис. 2. Структура биосферы и соотношение поверхностей, занятых основными структурными единицами

Круговорот веществ в биосфере и экосистемах

Все доступные для живых организмов химические соединения в биосфере ограничены. Исчерпаемость пригодных для усвоения химических веществ часто тормозит развитие тех или иных групп организмов в локальных участках суши или океана. По выражению академика В.Р. Вильямса, единственный способ придать конечному свойства бесконечного состоит в том, чтобы заставить его вращаться по замкнутой кривой. Следовательно, устойчивость биосферы поддерживается благодаря круговороту веществ и потокам энергии. Имеютсядва основных круговорота веществ: большой — геологический и малый — биогеохимический.

Большой геологический круговорот (рис. 3). Кристаллические горные породы (магматические) под воздействием физических, химических и биологических факторов преобразуются в осадочные породы. Песок и глина — типичные осадки, продукты преобразования глубинных пород. Однако формирование осадков происходит не только за счет разрушения уже существующих пород, но также и путем синтеза биогенных минералов — скелетов микроорганизмов — из природных ресурсов — вод океана, морей и озер. Рыхлые водянистые осадки по мере их изоляции на дне водоемов новыми порциями осадочного материала, погружения на глубину, попадания в новые термодинамические условия (более высокие температуры и давления) теряют воду, отвердевают, преобразуясь при этом в осадочные горные породы.

В дальнейшем эти породы погружаются в еше более глубокие горизонты, где и протекают процессы их глубинного преобразования к новым температурным и барическим условиям, — происходят процессы метаморфизма.

Под воздействием потоков эндогенной энергии глубинные породы переплавляются, образуя магму — источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на поверхность Земли, под действием процессов выветривания и переноса снова происходит их трансформация в новые осадочные породы.

Таким образом, большой круговорот обусловлен взаимодействием солнечной (экзогенной) энергии с глубинной (эндогенной) энергией Земли. Он перераспределяет вещества между биосферой и более глубокими горизонтами нашей планеты.

Рис. 3. Большой (геологический) круговорот веществ (тонкие стрелки) и изменение разнообразия в земной коре (сплошные широкие стрелки — рост, прерывистые — уменьшение разнообразия)

Большим круговоротом

называется и круговорот воды между гидросферой, атмосферой и литосферой, который движется энергией Солнца. Вода испаряется с поверхности водоемов и суши и затем вновь поступает на Землю в виде осадков. Над океаном испарение превышает осадки, над сушей наоборот. Эти различия компенсируют речные стоки. В глобальном круговороте воды немаловажную роль играет растительность суши. Транспирация растений на отдельных участках земной поверхности может составить до 80-90% выпадающих здесь осадков, а в среднем по всем климатическим поясам — около 30%. В отличие от большого малый круговорот веществ происходит лишь в пределах биосферы. Взаимосвязь большого и малого круговорота воды показана на рис. 4.

Круговороты планетарного масштаба создаются из бесчисленных локальных циклических перемещений атомов, движимых жизнедеятельностью организмов в отдельных экосистемах, и тех перемещений, которые вызваны действием ландшафтных и геологических причин (поверхностный и подземный сток, ветровая эрозия, движение морского дна, вулканизм, горообразование и т.п.).

Рис. 4. Взаимосвязь большого геологического круговорота (БГК) воды с малым биогеохимическим круговоротом (МБК) воды

В отличие от энергии, которая однажды использована организмом, превращается в тепло и теряется, вещества в биосфере циркулируют, создавая биогеохимические круговороты. Из девяноста с лишним элементов, встречающихся в природе, живым организмам нужно около сорока. Наиболее важные для них требуются в больших количествах — углерод, водород, кислород, азот. Круговороты элементов и веществ осуществляются за счет саморегулирующих процессов, в которых участвуют все составные части . Эти процессы являются безотходными. Существуетзакон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере, действующий на всех этапах ее развития. В процессе эволюции биосферы увеличивается роль биологического компонента в замыкании биогеохимичес
кого круговорота. Еще большее влияние на биогеохимический круговорот оказывает Человек. Но его роль проявляется в противоположном направлении (круговороты становятся незамкнутыми). Основу биогеохимического круговорота вешеств составляют энергия Солнца и хлорофилл зеленых растений. Другие наиболее важные круговороты — воды, углерода, азота, фосфора и серы — связаны с биогеохимическим и способствуют ему.

Круговорот воды в биосфере

Растения используют водород воды при фотосинтезе в построении органических соединений, выделяя молекулярный кислород. В процессах дыхания всех живых существ, при окислении органических соединений вода образуется вновь. В истории жизни вся свободная вода гидросферы многократно прошла циклы разложения и новообразования в живом веществе планеты. В круговорот воды на Земле ежегодно вовлекается около 500 000 км 3 воды. Круговорот воды и ее запасы показаны на рис. 5 (в относительных величинах).

Круговорот кислорода в биосфере

Своей уникальной атмосферой с высоким содержанием свободного кислорода Земля обязана процессу фотосинтеза. С круговоротом кислорода тесно связано образование озона в высоких слоях атмосферы. Кислород освобождается из молекул воды и является по сути побочным продуктом фотосинтетической активности растений. Абиотическим путем кислород возникает в верхних слоях атмосферы за счет фотодиссоциации паров воды, но этот источник составляет лишь тысячные доли процента от поставляемых фотосинтезом. Между содержанием кислорода в атмосфере и гидросфере существует подвижное равновесие. В воде его примерно в 21 раз меньше.

Рис. 6. Схема круговорота кислорода: полужирные стрелки — основные потоки поступления и расхода кислорода

Выделившийся кислород интенсивно расходуется на процессы дыхания всех аэробных организмов и на окисление разнообразных минеральных соединений. Эти процессы происходят в атмосфере, почве, воде, илах и горных породах. Показано, что значительная часть кислорода, связанного в осадочных породах, имеет фотосинтетическое происхождение. Обменный фонд О, в атмосфере составляет не более 5% общей продукции фотосинтеза. Многие анаэробные бактерии также окисляют органические вещества в процессе анаэробного дыхания, используя для этого сульфаты или нитраты.

На полное разложение органического вещества, создаваемого растениями, требуется точно такое же количество кислорода, которое выделилось при фотосинтезе. Захоронение органики в осадочных породах, углях, торфах послужило основой поддержания обменного фонда кислорода в атмосфере. Весь имеющийся в ней кислород проходит полный цикл через живые организмы примерно за 2000 лет.

В настоящее время значительная часть кислорода атмосферы связывается в результате работы транспорта, промышленности и других форм антропогенной деятельности. Известно, что человечество тратит уже более 10 млрд т свободного кислорода из общего его количества в 430-470 млрд т, поставляемого процессами фотосинтеза. Если учесть, что в обменный фонд поступает лишь небольшая часть фотосинтетического кислорода, деятельность людей в этом отношении начинает приобретать угрожающие масштабы.

Круговорот кислорода теснейшим образом сопряжен с углеродным циклом.

Круговорот углерода в биосфере

Углерод как химический элемент является основой жизни. Он может разными способами соединяться со многими другими элементами, образуя простые и сложные органические молекулы, входящие в состав живых клеток. По распространению на планете углерод занимает одиннадцатое место (0,35% веса земной коры), но в живом веществе он в среднем составляет около 18 или 45% сухой биомассы.

В атмосфере углерод входит в состав углекислого газа С0 2 , в меньшей мере — в состав метана СН 4 . В гидросфере С0 2 растворен в воде, и общее его содержание намного превышает атмосферное. Океан служит мощным буфером регуляции СО 2 в атмосфере: при повышении в воздухе его концентрации увеличивается поглощение углекислого газа водой. Некоторая часть молекул С0 2 реагирует с водой, образуя угольную кислоту, которая затем диссоциирует на ионы НСО 3 - и СО 2- 3 " Эти ионы реагируют с катионами кальция или магния с выпадением в осадок карбонатов. Подобные реакции лежат в основе буферной системы океана, поддерживающей постоянство рН воды.

Углекислый газ атмосферы и гидросферы представляет собой обменный фонд в круговороте углерода, откуда его черпают наземные растения и водоросли. Фотосинтез лежит в основе всех биологических круговоротов на Земле. Высвобождение фиксированного углерода происходит в ходе дыхательной активности самих фотосинтезирующих организмов и всех гетеротрофов — бактерий, грибов, животных, включающихся в цепи питания за счет живого или мертвого органического вещества.

Рис. 7. Круговорот углерода

Особенно активно происходит возврат в атмосферу С0 2 из почвы, где сосредоточена деятельность многочисленных групп организмов, разлагающих остатки отмерших растений и животных и осуществляется дыхание корневых систем растений. Этот интегральный процесс обозначается как «почвенное дыхание» и вносит существенный вклад в пополнение обменного фонда С0 2 в воздухе. Параллельно с процессами минерализации органического вещества в почвах образуется гумус — богатый углеродом сложный и устойчивый молекулярный комплекс. Гумус почв является одним из важных резервуаров углерода на суше.

В условиях, где деятельность деструкторов тормозят факторы внешней среды (например, при возникновении анаэробного режима в почвах и на дне водоемов), органическое вещество, накопленное растительностью, не разлагается, превращаясь со временем в такие породы, как каменный или бурый уголь, торф, сапропели, горючие сланцы и другие, богатые накопленной солнечной энергией. Они пополняют собой резервный фонд углерода, надолго выключаясь из биологического круговорота. Углерод временно депонируется также в живой биомассе, в мертвом опаде, в растворенном органическом веществе океана и т.п. Однакоосновным резервным фондом углерода на пишете являются не живые организмы и не горючие ископаемые, аосадочные породы — известняки и доломиты. Их образование также связано с деятельностью живого вещества. Углерод этих карбонатов надолго захоронен в недрах Земли и поступает в круговорот лишь в ходе эрозии при обнажении пород в тектонических циклах.

В биогеохимическом круговороте участвуют лишь доли процента углерода от общего его количества на Земле. Углерод атмосферы и гидросферы многократно проходит через живые организмы. Растения суши способны исчерпать его запасы в воздухе за 4-5 лет, запасы в почвенном гумусе — за 300-400 лет. Основной возврат углерода в обменный фонд происходит за счет деятельности живых организмов, и лишь небольшая его часть (тысячные доли процента) компенсируется выделением из недр Земли в составе вулканических газов.

В настоящее время мощным фактором перевода углерода из резервного в обменный фонд биосферы становится добыча и сжигание огромных запасов горючих ископаемых.

Круговорот азота в биосфере

В атмосфере и живом веществе содержится менее 2% всего азота на Земле, но именно он поддерживает жизнь на планете. Азот входит в состав важнейших органических молекул — ДНК, белков, липопротеидов, АТФ, хлорофилла и др. В растительных тканях его соотношение с углеродом составляет в среднем 1: 30, а в морских водорослях I: 6. Биологический цикл азота поэтому также тесно связан с углеродным.

Молекулярный азот атмосферы недоступен растениям, которые могут усваивать этот элемент только в виде ионов аммония, нитратов или из почвенных или водных растворов. Поэтому недостаток азота часто является фактором, лимитирующим первичную продукцию — работу организмов, связанную с созданием органических веществ из неорганических. Тем не менее атмосферный азот широко вовлекается в биологический круговорот благодаря деятельности особых бактерий (азотфиксаторов).

В круговороте азота большое участие также принимают аммонифицирующие микроорганизмы. Они разлагают белки и другие содержащие азот органические вещества до аммиака. В аммонийной форме азот частью вновь поглощается корнями растений, а частью перехватывается нитрифицирующими микроорганизмами, что противоположно функциям группы микроорганизмов — денитрификаторов.

Рис. 8. Круговорот азота

В анаэробных условиях в почвах или водах они используют кислород нитратов для окисления органических веществ, получая энергию для своей жизнедеятельности. Азот при этом восстанавливается до молекулярного. Азотфиксация и денитрификация в природе приблизительно уравновешены. Цикл азота, таким образом, зависит преимущественно от деятельности бактерий, тогда как растения встраиваются в него, используя промежуточные продукты этого цикла и намного увеличивая масштабы циркуляции азота в биосфере за счет продуцирования биомассы.

Роль бактерий в круговороте азота настолько велика, что если уничтожить только 20 их видов, жизнь на нашей планете прекратится.

Небиологическая фиксация азота и поступление в почвы его окислов и аммиака происходит также с дождевыми осадками при ионизации атмосферы и грозовых разрядах. Современная промышленность удобрений фиксирует азот атмосферы в размерах, превышающих природную фиксацию азота, в целях увеличения продукции сельскохозяйственных растений.

В настоящее время деятельность человека все сильнее влияет на круговорот азота, в основном в сторону превышения перевода его в связанные формы над процессами возврата в молекулярное состояние.

Круговорот фосфора в биосфере

Этот элемент, необходимый для синтеза многих органических веществ, включая АТФ, ДНК, РНК, усваивается растениями только в виде ионов ортофосфорной кислоты (Р0 3 4 +). Он относится к элементам, лимитирующим первичную продукцию и на суше, и особенно в океане, поскольку обменный фонд фосфора в почвах и водах невелик. Круговорот этого элемента в масштабах биосферы незамкнут.

На суше растения черпают из почвы фосфаты, освобожденные редуцентами из разлагающихся органических остатков. Однако в щелочной или кислой почве растворимость фосфорных соединений резко падает. Основной резервный фонд фосфатов содержится в горных породах, созданных на дне океана в геологическом прошлом. В ходе выщелачивания пород часть этих запасов переходит в почву и в виде взвесей и растворов вымывается в водоемы. В гидросфере фосфаты используются фитопланктоном, переходя по цепям питания в другие гидробионты. Однако в океане большая часть фосфорных соединений захоранивается с остатками животных и растений на дне с последующим переходом с осадочными породами в большой геологический круговорот. На глубине растворенные фосфаты связываются с кальцием, образуя фосфориты и апатиты. В биосфере, по сути, происходит однонаправленный поток фосфора из горных пород суши в глубины океана, следовательно, обменный фонд его в гидросфере очень ограничен.

Рис. 9. Круговорот фосфора

Наземные залежи фосфоритов и апатитов используются при производстве удобрений. Попадание фосфора в пресные водоемы является одной из главных причин их «цветения».

Круговорот серы в биосфере

Круговорот серы, необходимой для построения ряда аминокислот, отвечает за трехмерную структуру белков, поддерживается в биосфере широким спектром бактерий. В отдельных звеньях этого цикла участвуют аэробные микроорганизмы, окисляющие серу органических остатков до сульфатов, а также анаэробные редукторы сульфата, восстанавливающие сульфаты до сероводорода. Кроме перечисленных группы серобактерий окисляют сероводород до элементарной серы и далее до сульфатов. Растения усваивают из почвы и воды только ионы SO 2- 4 .

Кольцо в центре иллюстрирует процесс окисления (О) и восстановления (R), благодаря которым происходит обмен серы между фондом доступного сульфата и фондом сульфидов железа, находящимся глубоко в почве и осадках.

Рис. 10. Круговорот серы. Кольцо в центре иллюстрирует процесс окисления (0) и восстановления (R), благодаря которым происходит обмен серы между фондом доступного сульфата и фондом сульфидов железа, находящимся глубоко в почве и осадках

Основное накопление серы происходит в океане, куда ионы сульфатов непрерывно поступают с суши с речным стоком. При выделении из вод сероводорода сера частично возвращается в атмосферу, где окисляется до диоксида, превращаясь в дождевой воде в серную кислоту. Промышленное использование большого количества сульфатов и элементарной серы и сжигание горючих ископаемых поставляют в атмосферу большие объемы диоксида серы. Это вредит растительности, животным, людям и служит источником кислотных дождей, усугубляющих отрицательные эффекты вмешательства человека в круговорот серы.

Скорость круговорота веществ

Все круговороты веществ происходят с различной скоростью (рис. 11)

Таким образом, круговороты всех биогенных элементов на планете поддерживаются сложным взаимодействием разных частей . Они формируются деятельностью разных по функциям групп организмов, системой стока и испарения, связывающих океан и сушу, процессами циркуляции вод и воздушных масс, действием сил гравитации, тектоникой литосферных плит и другими масштабными геологическими и геофизическими процессами.

Биосфера действует как единая сложная система, в которой происходят различные круговороты веществ. Главным двигателем этихкруговоротов является живое вещество планеты, все живые организмы,обеспечивающие процессы синтеза, трансформации и разложения органического вещества.

Рис. 11. Темпы циркуляции веществ (П. Клауд, А. Джибор, 1972)

В основе экологического взгляда на мир лежит представление о том, что каждое живое существо окружено множеством влияющих на него различных факторов, образующих в комплексе его место обитания — биотоп. Следовательно,биотоп — участок территории, однородный по условиям жизни для определенных видов растений или животных (склон оврага, городской лесопарк, небольшое озеро или часть большого, но с однородными условиями — прибрежная часть, глубоководная часть).

Организмы, характерные для определенного биотопа, составляют жизненное сообщество, или биоценоз (животные, растения и микроорганизмы озера, луга, береговой полосы).

Жизненное сообщество (биоценоз) образует со своим биотопом единое целое, которое называетсяэкологической системой (экосистемой). Примером естественных экосистем могут служить муравейник, озеро, пруд, луг, лес, город, ферма. Классическим примером искусственной экосистемы является космический корабль. Как видно, здесь нет строгой пространственной структуры. Близким к понятию экосистемы является понятиебиогеоценоза.

Основными компонентами экосистем являются:

• неживая (абиотическая) среда. Это вода, минеральные вещества, газы, а также органические вещества и гумус;
• биотические компоненты. К ним относятся: продуценты или производители (зеленые растения), консументы, или потребители (живые существа, питающиеся продуцентами), и редуценты, или разлагатели (микроорганизмы).

Природа действует в высшей степени экономно. Так, созданная организмами биомасса (вещество тел организмов) и содержащаяся в них энергия передаются другим членам экосистемы: животные поедают растения, этих животных поедают другие животные. Этот процесс называютпищевой, или трофической, цепью. В природе пищевые цепи зачастую перекрещиваются,образуя пищевую сеть.

Примеры пищевых цепей: растение — растительноядное животное — хищник; злак — полевая мышь — лиса и др. и пищевая сеть показаны на рис. 12.

Таким образом, состояние равновесия в биосфере основано на взаимодействии биотических и абиотических факторов среды, которое поддерживается благодаря непрерывному обмену веществом и энергией между всеми компонентами экосистем.

В замкнутых круговоротах естественных экосистем наряду с другими обязательно участие двух факторов: наличие редуцентов и постоянное поступление солнечной энергии. В городских и искусственных экосистемах мало или совсем нет редуцентов, поэтому жидкие, твердые и газообразные отходы накапливаются, загрязняя окружающую среду.

Рис. 12. Пищевая сеть и направление потока вещества

ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "ПЕРВОГО СЕНТЯБРЯ"

ЧЕРНОВА Н.М.

Курс «Учителю биологии об основах экологии»

Учебный план курса

Лекция 7. Экосистемы

Условием существования всех живых организмов является поток вещества и энергии. В своей жизнедеятельности организмы используют энергию химических связей органических молекул, из которых состоят их тела. Сами же эти молекулы они либо синтезируют из простых неорганических веществ, которые получают из окружающей среды, либо преобразуют из соединений, поступающих из тел других организмов. Соответственно этому все живые существа по типу питания делятся на автотрофных и гетеротрофных . Автотрофы используют для синтеза либо энергию солнечного света (фототрофы), либо энергию химических связей неорганических веществ (хемотрофы). Гетеротрофы энергетически зависят от других организмов, т.к. в состоянии преобразовывать только органические соединения.

Уже из этой простой схемы, приводимой в школьных учебниках, очевидна тесная вещественно-энергетическая зависимость организмов друг от друга. Подавляющее большинство видов в живой природе составляют гетеротрофы. Это значительная часть бактерий, простейших, все грибы и животные. Они существуют, в конечном итоге, за счет автотрофных организмов, к которым относятся все растения, часть бактерий и некоторая часть простейших. Однако и фотосинтезирующие организмы, будучи независимыми от других по источнику поступления энергии, нуждаются в содействии гетеротрофов в обеспечении себя веществом. Они могут использовать лишь ограниченный круг неорганических соединений (например, углерод – в составе углекислого газа; азот, фосфор, калий – только в составе определенных солей и т.п.). Эти соединения, вовлекаемые в процесс органического синтеза, получили название биогенные вещества, или биогены. Их запас в окружающей среде всегда ограничен. В этом нетрудно убедиться на примере быстрого падения урожайности, если продукция растений вывозится с полей, а в почву не вносят удобрений. Биогенные вещества поступают в окружающую среду за счет деятельности гетеротрофов, разлагающих растительные остатки и другую мертвую органику. Дыхание всех живых существ возвращает в атмосферу необходимый для фототрофов углекислый газ.

Эта взаимная вещественно-энергетическая зависимость связывает в биоценозах виды друг с другом и окружающей неживой природой, откуда поступают биогенные вещества и энергия и куда выводятся продукты обмена. В биоценозах возникает и поддерживается круговорот биогенных веществ, получивший название биологический круговорот . Жизнь на Земле существует миллиарды лет, не исчерпывая запасы необходимых элементов. По высказыванию академика В.Р. Вильямса, единственный способ придать ограниченному количеству свойства бесконечного – это заставить его вращаться по замкнутой кривой. Этот способ найден природой еще на заре развития жизни, и именно биологический круговорот – главная причина сохранения жизни на планете.

Любые ячейки природы, в которых возникает биологический круговорот вещества, называют экосистемами. В структуре любой экосистемы должны присутствовать четыре компонента, необходимых для осуществления биологического круговорота: биогенные элементы в окружающей среде и три разных по функциям группы организмов: продуценты, консументы и редуценты. Продуцентысоздают биологическую продукцию – органические вещества из биогенных элементов, консументыперерабатывают их в органические соединения собственных тел, а редуцентывновь разлагают эти соединения до усваиваемых продуцентами молекул.

В большинстве природных экосистем функцию продуцентов выполняют зеленые растения, консументов – животные, а редуцентов – грибы и бактерии. Однако, строго говоря, любому организму частично присуща функция редуцента, так как и животные, и растения часть продуктов обмена веществ выделяют в виде простых неорганических молекул – углекислого газа, аммиака, солей и т.п. Точно так же и грибы, и гетеротрофные бактерии часть потребляемого органического вещества используют на построение своего тела, т.е. выступают как консументы. Поэтому соответствующие названия определенным группам организмов даются по той преобладающей роли, которую они играют в экосистемах.

В природе можно выделить экосистемы самого разного масштаба, с разной степенью замкнутости и интенсивности биологического круговорота, разной длительности существования – от временных, эфемерных, до постоянных и стабильных. Например, как временная экосистема может функционировать высыхающая лужа, в которой развились одноклеточные водоросли, мелкие фильтраторы – коловратки, рачки-дафнии и, безусловно, бактерии. Разрушающийся пень, поросший мхом и лишайником и населенный грибами, бактериями и беспозвоночными животными – тоже небольшая, временно существующая экосистема. Пруд, озеро, море и океан можно рассматривать как экосистемы последовательно нарастающей степени сложности, с разным временем существования в биосфере. Мелкие экосистемы входят в состав более крупных, и все вместе представляют составные части глобальной экосистемы Земли – биосферы .

Полнота круговорота веществ в экосистемах может быть очень разной. Будучи во многом зависимой от соотношения и особенностей продуцентов, консументов и редуцентов, она зависит также и от внешних по отношению к экосистеме факторов, например, изменения климата, погоды или антропогенного воздействия. В высыхающей луже атомы углерода, азота и других биогенных элементов могут совершить несколько циклов, переходя из тел организмов во внешнюю среду и обратно, но большая их часть выбывает затем из данного круговорота, поступая в состав почвы или воздуха и переходя в другие круговороты. Такие экосистемы, как зрелые дубравы или ковыльные степи могут долго поддерживать циклику своих элементов, возвращая растениям необходимые для фотосинтеза вещества и существовать тысячелетиями, если внешние силы не нарушат их состав и структуру. Но даже в самых крупных и устойчивых экосистемах биологический круговорот не бывает замкнутым полностью. Часть вещества может надолго выпадать из него, оседая на дне океана, в почвах, болотах и т.д., другая часть ускользает в другие экосистемы, переносясь водой, ветром, живыми организмами. В результате все экосистемы планеты оказываются связанными между собой.

В некоторых типах экосистем – проточных – устойчивость поддерживается не столько цикликой биогенных элементов, сколько балансом привноса и выноса веществ. Типичным примером таких экосистем служат реки.

Неразрывность, единство живой и неживой природы давно осознавалось исследователями. Предлагалось множество терминов для обозначения отдельных участков среды, где это единство проявляется наиболее наглядно (например, микрокосм– для озера и др.). Термин экосистемабыл предложен в 1935 г. английским ботаником А.Тенсли и утвердился как универсальное понятие, приложимое к природным образованиям разного ранга, в которых поддерживается обмен веществ и энергии между абиотической средой и сообществом населяющих ее организмов. Почти одновременно российский геоботаник В.Н. Сукачев предложил термин биогеоценоздля обозначения аналогичной системы, которая возникает в пределах фитоценоза, т.е. единицы растительного покрова. Оба термина прижились в науке и употребляются в близком смысле с небольшими различиями. Не любую экосистему можно назвать биогеоценозом – границы последнего определяются в природе фитоценозом, т.е. определенной растительной ассоциацией (например, ельник-кисличник, ельник-зеленомошник, сосняк-беломошник, луг разнотравный, сфагновое болото и т.п.). Термин же экосистемаприложим не только к природным ячейкам разного масштаба, но и к рукотворным: аквариумам, теплицам, полям, прудам, кабинам космических кораблей и др., если в них присутствуют необходимые компоненты, обеспечивающие хотя бы временный, частичный биологический круговорот веществ.

Экосистемные исследования стали развиваться в полной мере лишь с 1950-х гг., после того, как были разработаны методы учета потоков вещества и энергии в биоценозах.

Любой круговорот вещества требует затрат энергии. Основной механизм осуществления биологического круговорота – пищевые связи организмов. Передача энергии при питании одного организма другим подчиняется определенным закономерностям. Если, например, растительноядное животное (коза, кролик, саранча, лошадь и т.п.) съело целиком растение, энергетическую ценность которого мы примем за 100%, то часть этой энергии вернется во внешнюю среду в составе непереваренных тканей, выводимых с экскрементами. Основная доля усвоенной животным организмом энергии используется для поддержания работы клеток, жизнедеятельности организма в целом и постепенно превращается в тепловую, которая рассеивается в окружающем пространстве. (По второму закону термодинамики, любое превращение энергии из одного состояния в другое сопровождается переходом части ее в тепловую, и все химические реакции в клетках подчиняются этому закону). Другая, меньшая, доля усвоенной из пищи энергии может сохраняться в организме в химически связанном виде в составе прироста массы организма.

По усредненным данным, доля энергии растения, «задержавшаяся» в теле съевшего его животного, не превышает 10%. Хищник, съевший травоядное животное, при тех же условиях сохранит в своем теле, соответственно, не более 1% энергии, изначально содержавшейся в растении. Таким образом, солнечная энергия, связанная растением в ходе фотосинтеза, через два звена трофических связей почти полностью возвращается в окружающую среду в виде тепла.

Конкретная последовательность питающихся друг другом организмов, в которой еще можно различить судьбу первоначальной порции энергии, получила название трофическая цепь , или цепь питания . Хотя пищевые связи в биоценозах разнообразны и общая трофическая сеть, соединяющая живущие вместе виды, состоит из множества переплетающихся трофических цепей, каждая из таких цепей включает всего несколько звеньев. Цепи питания не могут быть длинными, поскольку поступающая в них энергия стремительно иссякает. Ее можно проследить всего в четырех, максимум шести, звеньях. Энергия не может передаваться бесконечно долго и не может обращаться в экосистеме по кругу, как биогенные вещества. Она должна все время поступать заново. Жизнь в целом существует на потоке энергии. Образным выражением функционирования экосистемы может служить колесо водяной мельницы: постоянное вращение (круговорот вещества) в струях постоянно поступающей извне воды (поток энергии).

Место, занимаемое организмом в цепи питания, называется трофическим уровнем . Пищевые цепи начинаются всегда с автотрофных организмов (в подавляющем большинстве случаев – растений), создающих органическое вещество. Они представляют первый трофический уровень. На втором находятся растительноядные организмы, на третьем и далее – плотоядные. Хищники и виды со смешанным типом питания могут занимать в разных трофических цепях разные уровни. Воробей, склевавший зерно, представляет второе звено пищевой цепи, а съевший насекомое – третий или четвертый, в зависимости от того, было ли это насекомое растительноядным или хищным.

Итак, с одного трофического уровня на другой в среднем переходит только 10% энергии, поступившей на предыдущий. Эта закономерность, получившая в экологии название правило десяти процентов, чрезвычайно важна для понимания того, как функционируют экосистемы, и для грамотного природопользования. Она лежит в основе создания в природе вторичной биологической продукции.

Биологической продукцией называют то количество органического вещества, которое создается в единицу времени на определенном трофическом уровне. Различают первичную и вторичную биологическую продукцию. Первичную создают растения из неорганических компонентов. Валовая первичная продукция определяется скоростью фотосинтеза, которая зависит и от вида растений, и от условий среды. Значительную часть валовой первичной продукции (в среднем 50–60%) растения тратят на поддержание собственной жизнедеятельности, а оставшаяся часть идет на рост – увеличение массы. Эту часть, заключенную в созданной биомассе, называют чистой первичной продукцией. За счет чистой первичной продукции в конечном счете и существуют все гетеротрофные организмы биоценоза.

Вторичная биологическая продукция– это органическое вещество, создаваемое гетеротрофами, т.е. переработчиками. Она возникает за счет первичной чистой продукции и, по правилу передачи энергии по цепям питания, составляет не более 10% от растительной. Таким образом, в природе на создание 1 кг массы травоядного животного тратится в 10 раз больше солнечной энергии, чем на создание 1 кг массы растений, а на 1 кг массы хищника – по крайней мере в 100 раз.

На планете – в глубинах океана, в местах выхода горячих минеральных источников и в некоторых других условиях – сохранились экосистемы, где первичную биологическую продукцию создают не фотосинтезируюшие организмы, а хемосинтезирующие бактерии. Однако и в этих сообществах цепи питания развиваются по сходным экологическим правилам, с большими потерями энергии при переходе от одного звена к другому.

В сельском хозяйстве законы передачи энергии по цепям питания выражаются в том известном всем обстоятельстве, что 1 кг пшеницы вырастить гораздо дешевле, чем получить 1 кг говядины или свинины. По этой же причине на мясо не разводят хищных животных, а среди одомашненных растительноядных для этой цели используют в основном тех, которые наиболее эффективно перерабатывают пищу на собственный прирост: кур, индеек, уток, свиней, крупный и мелкий рогатый скот и т.п. Как уже сказано, 10% – это усредненная величина, а конкретные живые организмы могут характеризоваться разной величиной этого показателя. Среди сельскохозяйственных животных, у свиней например, КПД использования 1 кг кормов на прирост 1 кг живой массы может достигать 20% и более. Для других видов, несмотря на старания селекционеров, достичь таких результатов не удается. Фазанов и павлинов разводят почти исключительно в декоративных целях, поскольку доля энергии, использующаяся на прирост, у них составляет всего 2–3%.

«Правило десяти процентов» определяет так называемую пирамиду биологической продукции в экосистемах. Десятикратное убывание количества органического вещества, создаваемого в единицу времени, по трофическим уровням можно схематически отобразить в виде ступеней пирамиды соответствующего масштаба. Ее называют также пирамидой энергии, поскольку продукция эквивалентна связанной в ней энергии.

Такой пирамиды часто не получается, если оценивать не продукцию, а биомассу или численность организмов на разных трофических уровнях. Продукция, напомним, – это количество органического вещества, которое создается в единицу времени, в то время как биомасса – это показатель, отражающий величину, имеющуюся на данный момент. Это может быть, например, общая масса всех растений на гектаре леса, масса стволовой древесины, общий вес стада лосей в данном лесу или общий вес всех животных изучаемой экосистемы. Термин биомассаприменим и к отдельно взятому организму – дереву, лосю, человеку.

При высокой продуктивности общая биологическая продукция биомассы организмов определенного трофического уровня может быть и очень низкой, если эти организмы быстро поедаются представителями следующего уровня. Например одноклеточные водоросли в океане размножаются в благоприятных условиях с высокой скоростью, т.е. отличаются большой продуктивностью, но в каждый определенный момент их всегда по весу мало, потому что они с не меньшей скоростью выедаются зоопланктоном и различными фильтраторами. Животные второго и третьего трофического уровня наращивают свою массу в десятки раз медленнее, но общий вес рыб и донных животных выше, чем фитопланктона, поскольку хищники поедают их с меньшей скоростью. Пирамида биомасс в океане оказывается перевернутой. Таким образом, конфигурация пирамид биомассы в экосистемах определяется не соотношением передачи энергии по цепям питания, а тем, быстро или медленно созданная продукция переходит на следующий трофический уровень.

Продуктивность экосистем суши и океана – основа жизнеобеспечения человечества. Люди нуждаются и в растительной, и в животной пище, поскольку в организме человека не вырабатывается ряд незаменимых аминокислот, которые он должен получать преимущественно из белков животного происхождения. На нужды человеческого общества используются не только урожаи сельскохозяйственных растений, но и вся та первичная биологическая продукция, за счет которой существует животноводство и живут промысловые виды морских и наземных животных. Кроме обеспечения пищевых потребностей человека, первичная биологическая продукция (например, в виде древесины и пр.) используется во многих отраслях промышленности, строительства, транспорта, энергетики, медицины. В условиях демографического взрыва, быстрого роста числа людей на Земле, очень важно оценивать реальную емкость среды для населения всей планеты и ее отдельных территорий. Поэтому после того, как были разработаны методы оценки биологической продукции, первой задачей стало оценить ее масштабы в разных частях суши и океана и на планете в целом.

С конца 1960-х гг. ученые разных стран в течение 10 лет работали по общей Международной биологической программе (МБП), оценивая валовую и чистую биологическую продукцию в различных типах экосистем. В результате этой гигантской работы была создана карта продуктивности земного шара. Уточнение и дополнение полученных данных продолжаются и в настоящее время.

В наиболее продуктивныхэкосистемах Земли за сутки на 1 м2 синтезируется в среднем не более 25 г органического вещества (в пересчете на сухой вес валовой продукции). К таким высокопродуктивным экосистемам относятся влажные тропические леса, эстуарии рек в аридных районах, коралловые рифы в тропических морях. Здесь создаются оптимальные условия для фотосинтеза: много тепла, света, воды, достаточно биогенов. Интересно, что основная первичная продукция на коралловых рифах производится симбиотическими одноклеточными водорослями – зооксантеллами, живущими в телах кораллов и других беспозвоночных животных в освещаемых слоях воды.

На своих полях человек тоже может добиться такого высокого выхода продукции некоторых сельскохозяйственных растений, но при условии снятия всех лимитирующих факторов, т.е. при обеспечении достаточным количеством регулярно вносимых удобрений, орошении, рыхлении почвы, защите от вредителей. Это так называемое интенсивное земледелие, которое обходится очень дорого и часто не окупается повышенным урожаем.

В условиях резкого недостатка какого-либо одного или нескольких факторов, влияющих на фотосинтез, возникают экосистемы с низкой биологической продуктивностью. К ним относятся холодные и жаркие пустыни, тундры, засоленные почвы, а также центральные акватории океанов даже в условиях тропического климата. В тундрах и полярных пустынях резко не хватает тепла, долго длится полярная ночь. В жарких пустынях ограничивающим фактором является прежде всего дефицит влаги, а в центральных частях океанов при избытке тепла, света и воды недостает биогенных веществ, главным образом азота и фосфора. Основные их количества выносятся в океан с материков и перехватываются водорослями краевых морей. Суточная первичная продукция таких экосистем не превышает 1 г сухого вещества на 1 м2.

Большинство экосистем Земли относится к среднепродуктивным, поставляя от 1 до 5 г/м2 сухого вещества за сутки. Это районы северной тайги, горные леса, луга, глубокие озера, мелкие моря, пашни и др. В степях, саваннах, мелких, освещаемых до дна озерах суточная продукция может достигать 10 г/м2 и более.

Созданное органическое вещество поступает в цепи питания в составе либо живых растений, либо их отмерших частей. В первом случае цепи питания называются пастбищными, во втором – детритными. В разных типах экосистем потоки энергии через пастбищные и детритные цепи различны. В лесах в норме все растительноядные виды (насекомые, грызуны, копытные и др.) используют около 10% ежегодного прироста растений, остальная часть идет в опад, формируя лесную подстилку. Над ее разрушением в детритных цепях питания трудятся тысячи видов разнообразных организмов – бактерий, грибов, животных. В степях и на лугах в пастбищные цепи может поступать 50–70% ежегодной продукции растений, детритные цепи развиты здесь в меньшей степени. Наиболее интенсивно выедается продукция водорослей в океанах.

Мертвое, неразложенное, органическое вещество в экосистемах получило название мортмасса. Организмы, разрушающие мортмассу, относятся к деструкционному блоку экосистем. Замедление их деятельности приводит к накоплению мертвой органики на поверхности почвы (степная ветошь, лесная подстилка) или ее захоронению (болотный торф, сапропель на дне озер и т.п.).

Запасы мортмассы свидетельствуют о скорости круговорота вещества в экосистемах разного типа. В лесах наглядный показатель – отношение массы подстилки к массе ежегодного опада. В тропических лесах общая биомасса растительности составляет более 5000 ц/га, ежегодно опадает более 250 ц/га листвы и веток, но подстилки присутствует не более 25 ц/га, т.е. ее отношение к опаду составляет 0,1, так как она очень быстро разрушается потребителями (бактериями, грибами, муравьями, термитами и т.п.). В дубравах средней полосы при ежегодном опаде 65 ц/га отношение массы подстилки к этой величине составляет около 4. Следовательно, только к концу четвертого года будет полностью возвращен тот запас биогенов, которые растения использовали за год. Для ельников северной тайги задержка в разложении годовой порции опада составляет уже 15–17 лет. В таких лесах на земле лежит толстый слой хвойной подстилки, и круговорот вещества сильно замедлен. Еще более замедлен он в болотных экосистемах, где постепенно накапливаются мощные слои торфа. В степях круговорот интенсивен и соответствующий индекс приближается к единице, а в саваннах составляет примерно 0,2.

Обработка почвы, посев, уход за сельскохозяйственными растениями, борьба с сорняками и вредителями требуют труда и, соответственно, расхода энергии. В результате агроэкосистемы, в отличие от природных, получают кроме солнечной еще и дополнительную энергию от человека. Без этого энергетического вложения они существовать не могут. Каждое заброшенное поле быстро преобразуется в природную экосистему.

Одна из основных сложностей в поддержании агроэкосистем – сохранение баланса биологического круговорота вещества. С полей удаляются большие массы урожая, содержащие биогенные элементы. Если равноценное количество этих элементов не будет возвращено в почву в виде минеральных или органических удобрений, продуктивность полей быстро упадет.

Подробные исследования выявляют высокую сложность даже предельно простого агроценоза. Стараясь сберечь урожай, мы обрываем множество цепей питания и дисбалансируем сообщество. По существу, все усилия по созданию высокочистой продукции в пользу человека есть «борьба против природы», которая требует много труда, средств и знаний. В современной сельскохозяйственной науке наиболее прогрессивное направление – экологизация производства, т.е использование таких методов и приемов, которые как можно меньше противоречили бы природным законам. Излишняя химизация почв, использование сильнодействующих ядохимикатов, а также тяжелой техники – главные препятствия в достижении экологически грамотного земледелия.

Природные экосистемы подвержены процессам саморазвития. Они меняют свой видовой состав, структуру и внешний облик до тех пор, пока в них не установится устойчивое равновесие поступления и расхода энергии. Этот закономерный направленный процесс изменения экосистем в результате взаимодействия организмов между собой и с абиотической средой носит название сукцессия . Различают первичные и вторичные сукцессии.

Первичные сукцессииведут к формированию устойчивых сообществ на первоначально безжизненных территориях. Такие участки постоянно возникают на современной суше в результате локальных событий: осыпей в горах, отступания ледников, разрушения скал, образования песчаных наносов, отступания уреза воды на побережьях и т.п. Сукцессии впервые были проанализированы на примере растительного покрова американским ботаником Ф.Клементсом еще в начале прошлого века. Он выделил ряд этапов сукцессионного процесса. Сначала возникает обнаженный участок, на котором еще не обитают никакие организмы. Потом начинается его заселение: на обнажившуюся территорию попадают представители разных видов растений из окружающих биотопов в виде семян, плодов, спор или других зачатков. На следующем этапе идет жесткий отбор видов абиотическими условиями, поскольку не все способны прижиться в этой экстремальной среде. Далее прижившиеся виды начинают изменять среду своей жизнедеятельностью: растения извлекают из грунта минеральные соединения, включают их в свои тела, оставляют опад, отмершие корни, меняют влагоемкость субстрата, влияя на микроклимат. После этого, полностью освоив и изменив местообитание, растения начинают конкурировать друг с другом, и отбор идет уже за счет преимущественно биотических факторов. Состав сообщества преобразуется, в него внедряются новые виды, более конкурентоспособные в изменяющейся среде. Естественно, что изменению состава растительности сопутствуют изменения и животного, и грибного, и бактериального мира. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не подберется такой состав сообщества, при котором изменения среды, вызванные деятельностью одних видов, компенсируются другими и весь биоценоз не станет способен поддерживать сбалансированный круговорот вещества. Такая экосистема становится устойчивой и существует до тех пор, пока не изменятся климатические условия или другие внешние силы не выведут ее из равновесия. Завершающий устойчивый этап сукцессии Клементс назвал климаксовым, или климаксом, начальные этапы – пионерными, а весь ряд ведущих к климаксу изменяющихся сообществ – сукцессионной серией. Наглядным примером первичных сукцессий служит зарастание стоячих водоемов, когда на их месте постепенно возникают заболоченные участки, затем развиваются травы и кустарники, сменяющиеся лесной растительностью.

Основная закономерность сукцессионного процесса – постепенное замедление преобразования экосистем. Первые стадии сукцессионной серии – наиболее быстротечные, неустойчивые. Чем ближе к климаксовому сообществу, тем медленнее совершаются изменения среды и видового состава. Отвалы, возникшие в результате строительной деятельности или добычи полезных ископаемых, зарастают на глазах человека. Вначале сообщества меняются очень быстро. На голых отвалах появляется мать-и-мачеха, на второй-третий год – бурьянные травы. Через несколько лет они сменяются злаковой растительностью, затем – кустарниками, и постепенно вырастает лес.

Первичные сукцессии – достаточно длительный процесс, поскольку он сопровождается формированием почвы. Климаксовые сообщества возникают только на той стадии, когда формируется почвенный профиль, соответствующий определенному климату и подстилающей породе. На разных субстратах пионерные стадии сукцессионных серий различаются очень сильно. Например, обрастание голых скал начинается обычно с накипных лишайников; заселение сыпучих песков – с осок и злаков, устойчивых к обнажению ветром корневой системы; зарастание мелких водоемов – с пышной водной и прибрежной растительности: кубышек, рдестов, рясок, рогоза и т.п. Постепенно в сообщества внедряется все больше общих видов, и на климаксовой стадии они становятся похожими друг на друга. По-настоящему устойчивых сообществ, воспроизводящих себя и не меняющихся в течение столетий, в природе немного. Они формируют типичные экосистемы, характерные для климатических зон и горных поясов. Это, например, ельники средней тайги, дубравы широколиственного пояса, ковыльно-типчаковые степи, мохово-кустарниковые тундры и т.п.

Кроме первичных сукцессий, формирующих устойчивые экосистемы на первоначально не измененных жизнью участках среды, в природе возникает много вторичных, или восстановительных. Это те изменения сообществ, которые начинаются после частичного нарушения уже сформировавшихся экосистем – например, после лесного или степного пожара, рубки леса, вспашки целины. В таких случаях в экосистемах часто сохраняются почва, семена или корни растений, выживают некоторые виды животных. Сообщество снова начинает развиваться в сторону устойчивого, климаксового. В геоботанике такие смены называют демутациями. Например, в средней тайге на гарях и вырубках развиваются заросли иван-чая, малины, затем – мелколиственные породы деревьев, и только под их прикрытием постепенно вырастает и сменяет их ельник. Стадии и последовательность этого процесса могут отличаться от первичной сукцессии: например, восстановлению еловых пород могут предшествовать не березняки, а осинники. Восстановительные сукцессии протекают быстрее, чем первичные.

Сукцессии наблюдаются в сообществах разного масштаба и на различных по размеру территориях. Зарастают, проходя закономерные этапы, вывалы деревьев в лесах, сусликовины в степях, выбросы кротов, дно высохших луж и т.п. На этих участках меняется, наряду с растениями, все их население. Такие мелкомасштабные сукцессии постоянно протекают во всех крупных экосистемах, восстанавливая локальные нарушения. Во всех случаях, когда в системе первичная продукция не равна ее потреблению, начинается сукцессионный процесс, изменяются условия и происходит смена видов.

Экологические сукцессии являются механизмами развития, самоподдержания и восстановления природных экосистем. Знание их законов чрезвычайно важно для рационального природопользования. С одной стороны, сукцессии восстанавливают антропогенные нарушения в природных экосистемах. Восстановление лесов, разнотравной степи, зарастание отвалов, осыпей, оврагов можно ускорить, если грамотно стимулировать эти процессы. На юге нашей страны разработаны технологии, позволяющие за считанные годы превратить деградировавшую степь в высокопродуктивную многовидовую. Ограничивать сукцессии может недостаток воды, семян, насыщенность среды токсичными соединениями. Во всех случаях, чтобы ускорить восстановление почв и растительности, надо понять природу ограничивающих факторов.

С другой стороны, чтобы получать урожаи, человеку приходится бороться против природных сукцессий. Из экологических законов следует, что экосистема не может быть одновременно устойчивой и накапливать при этом избыток первичной продукции. Все наши агроэкосистемы – поля, огороды, сады – это крайне неустойчивые пионерные сообщества, они требуют постоянной поддержки человеком, а иначе быстро вовлекаются в природный процесс экологической сукцессии. За сельскохозяйственные урожаи человек платит нестабильностью среды.

Грамотная организация ландшафта – это мозаика разнообразных экосистем, как устойчивых, так и пионерных, предназначенных для получения избытка чистой продукции. Поля от горизонта до горизонта антиэкологичны, они должны чередоваться с лесополосами, лесами, перелесками, водоемами, пастбищами, лугами и т.п. Нельзя также, в соответствии со старым оптимистичным лозунгом, превратить всю землю в цветущий сад, это также антиэкологично. Сад – тоже пионерная и нестабильная экосистема, для поддержания которой также придется бороться «против природы». Человек должен поддерживать вокруг себя все то разнообразие экосистем, на котором строится и устойчивость природной среды.

Вопросы и задания для самостоятельной работы

1. Как соотносятся между собой понятия биоценоз, экосистема и биогеоценоз?

2. Почему в экосистемах не может быть круговорота энергии?

3. Что такое первичная и вторичная биологическая продукция?

4. Чем агроэкосистемы отличаются от природных экосистем и чем похожи на них?

5. Что такое экологическая сукцессия и каковы ее этапы?

Литература

Чернова Н.М., Былова А.М. Общая экология. – М.: Дрофа, 1998–2005.

Одум Ю. Экология. Т.1–2. – М.: Мир. 1986.

Миллер Т. Жизнь в окружающей среде. Т.1. – М.: Пангея, 1993.

Небел Б. Наука об окружающей среде. Т.1. – М.: Мир, 1993.

Жизнедеятельность биогеоценоза возможна только при условии постоянного притока энергии и круговорота веществ в нем (биотического круговорота). Однако, поскольку в жизнедеятельности биогеоценоза наряду с живыми организмами большое значение имеют химические и геологические факторы, рассматривать круговорот веществ в биогеоценозе следует с позиции биогеохимического цикла, что не тождественно биотическому круговороту, подразумевающему извлечение живыми организмами из окружающей их неживой природы больших количеств минеральных веществ и возвращение после своей смерти в окружающую среду их химических элементов, т.е. циркуляции веществ между гидросферой, литосферой, атмосферой и живыми организмами.

Круговорот веществ никогда не бывает полностью замкнутым в круг, т.к. часть органических и неорганических веществ выносится за пределы биогеоценоза и в то же время их запасы могут попoлняться за счет притока извне. Неполная замкнутость циклов в масштабах геологического времени приводит к накоплению элементов в различных природных сферах Земли. Таким образом накапливаются полезные ископаемые - уголь, нефть, газ, известняки и т.п.

Постоянный приток энергии в экосистему происходит за счет солнечного излучения, которое фотосинтезирующими организмами переводится в энергию химических связей органических соединений. Передача энергии по пищевым цепям подчиняется второму закону термодинамики: преобразование одного вида энергии в другой идет с потерей части энергии. При этом ее перераспределение подчиняется строгой закономерности: энергия, получаемая экосистемой и усваиваемая продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой необратимо передается консументам первого, второго и т.д. порядков, а затем редуцентам с падением потока энергии на каждом трофическом уровне. В связи с этим круговорота энергии не бывает.

О круговороте веществ можно говорить только в очень узком смысле биотического круговорота: поступления биогенных элементов (углерода, кислорода, азота и пр.) к живым организмам и возвращение этих же биогенных элементов в окружающую среду (т.е. потребление и возврат биогенных элементов происходит по кругу).

В биогеоценозе круговорот веществ происходит как между геосферами (атмосферой, гидросферой, земной корой, гранитной, базальтовой и другими сферами) в пределах 10-20 км (местами 50-60 км) от поверхности Земли, так и между некоторыми геосферами и живыми организмами. Непосредственно непрерывный круговорот веществ наблюдается в атмосфере, гидросфере, верхней части твёрдой литосферы и в биосфере. К геологической силе в этом круговороте в настоящее время добавилась деятельность человека.

Таким образом, различают два основных круговорота:

• большой (геологический) - продолжающийся миллионы лет, заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, а продукты выветривания (в том числе растворимые в воде питательные вещества) сносятся потоками воды в Мировой океан, где они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками. Геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещения морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.
• малый (биотический) - (часть большого), происходит на уровне экосистемы и состоит в том, что питательные вещества, вода и углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и на жизненные процессы как самих этих растений, так и других организмов (как правило животных), которые поедают эти растения (консументы). Продукты распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы, черви) вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаемых ими в потоки вещества.

которые в совокупности называются биогеохимическим циклом. В такие циклы вовлечены практически все химические элементы и прежде всего те, которые участвуют в построении живой клетки, например, тела человека, которое состоит из кислорода (62,8%), углерода (19,37%), водорода (9,31%), азота (5,14%), кальция (1,38%), фосфора (0,64%) и ещё примерно из 30 элементов.

Самый интенсивный биогеохимический цикл. В природе углерод существует в двух основных формах – в карбонатах (известняк, мел, мрамор ) и органических полезных ископаемых (нефть, уголь, природный газ). Все эти вещества обладают низкой химической активностью и потому лишь в очень незначительной степени используются живыми организмами. В биотическом круговороте участвуют преимущественно лишь те части углерода, которые находятся в атмосфере, гидросфере и живых организмах.

В атмосферном воздухе углерод содержится в виде углекислого газа, на долю которого приходится 0,03%. Последний поглощается растениями и идет на образование органического вещества в процессе фотосинтеза. Растения поедаются растительноядными животными, в организме которых углерод в составе органических соединений проходит по цепи обменных реакций. Часть его накапливается в их организме, часть удаляется с продуктами жизнедеятельности. Углекислый газ выделяется в процессе дыхания животных и растений. Погибшие растения и животные подвергаются воздействию микроорганизмов-редуцентов (бактерии, грибы), которые разлагая их, переводят углеродсодержащие вещества в углекислый газ, который вновь возвращается в атмосферу. При этом в биотический круговорот возвращается метан (СН 4), вода и соединения азота (NH 4 , CO(NH 2) 2 , NO 2 , NO 3). Огромное количество метана выделяют метановые бактерии, которые обитают в почве и болотах. Кроме того, запасы углерода в атмосфере пополняются за счет вулканической деятельности и сжигания человеком горючих ископаемых.

Основная часть поступающего в атмосферу диоксида углерода поглощается океанами и морями (поскольку он хорошо растворяется в воде)

СО 2 + Н 2 0 --> Н 2 СО 3 --> Н + + НСО 3 -
и откладывается в виде нерастворимого в воде карбоната кальция после соединения карбонат-иона (НСО 3 -) с кальцием

Са 2+ + НСО 3 - --> Са 2 СО 3 + Н +

Карбонат кальция выпадает в донные отложения водоемов. Он также поглощается водными организмами и используется ими для постройки раковинок (моллюски) или внешних покровов тела (ракообразные). Обыкновенный мел образован слежавшимися остатками раковинок ископаемых моллюсков. Таким образом доля излишнего СО 2 поглощается Мировым океаном и выводится из биотическогo круговорота. Однако способность Мирового океана к поглощению избытка СО 2 не безгранична и, как считается, в настоящее время близка к исчерпанию. Соответственно атмосферная часть СО 2 медленно, но неуклонно повышается. По данным расчетов в 2025 году в атмосферу Земли будет выпущено 26 млрд. тонн углерода в составе углекислого газа, что соответствует ежегодному приросту 3,4%.

Круговорот кислорода

тесно взаимосвязан с круговоротом углерода поскольку оба элемента входят в состав углекислого газа и являются важнейшими компонентами всех органических соединений - углеводов, жиров и белков, нуклеиновых кислот, макроэргических соединений.

В количественном отношении главной составляющей живой материи является кислород, круговорот которого осложнён его способностью вступать в различные химические реакции, главным образом реакции окисления. В результате возникает множество локальных циклов, происходящих между атмосферой, гидросферой и литосферой.

Кислород, содержащийся в атмосфере, имеет биогенное происхождение и рассматривается как продукт фотосинтеза, который поддерживает его содержание в атмосфере около 21% Кроме того, большое количество кислорода содержится в самых распространенных минералах земной коры - песчаных породах (SiO 2), железных (Fe 2 O 3) и алюминиевых (Al 2 O 3) рудах, которое, однако, не участвует в биотическом круговороте, т.к. эти вещества обладают низкой химической активностью и потому лишь в очень незначительной степени используются живыми организмами. В биотическом круговороте участвуют преимущественно лишь те части кислорода, которые, как и углерод, находятся в атмосфере, гидросфере и живых организмах.

Свободный кислород используется для дыхания всеми аэробными микроорганизмами и идет на окисление органических веществ в результате чего выделяется конечный продукт окисления - углекислый газ. В составе углекислого газа кислород возвращается во внешнюю среду и этот его круговорот обеспечивает круговорот всех биогенных элементов, так как освобождение энергии из органических и неорганических соединений сопровождается расщеплением их в ходе окислительных реакций. В некотором отношении круговорот кислорода напоминает обратный круговорот углекислого газа.

Отметим, что, начиная с определённой концентрации, кислород очень токсичен для клеток и тканей (даже у аэробных организмов). А живой анаэробный организм не может выдержать (это было доказано ещё в прошлом веке Л. Пастером) концентрацию кислорода, превышающую атмосферную на 1%.

Потребление атмосферного кислорода и его возмещение растениями в процессе фотосинтеза осуществляется довольно быстро. Расчёты показывают, что для полного обновления всего атмосферного кислорода требуется около двух тысяч лет. С другой стороны, для того, чтобы все молекулы воды гидросферы были подвергнуты фотолизу и вновь синтезированы живыми организмами, необходимо два миллиона лет.

Часть кислорода, поступающего в атмосферу может фиксироваться литосферой в виде карбонатов, сульфатов, оксида железа, остальная часть циркулирует в биосфере в виде газов или сульфатов, растворенных в океанических и континентальных водах.

Таким образом

, круговорот углерода и кислорода взаимосвязаны процессами фотосинтеза и дыхания: при фотосинтезе углекислый газ поглощается (фиксируется организмами), а углерод, содержащийся в нем используется для образования органических веществ при участии воды, света и фотосинтетических пигментов. Выделяющийся кислород образуется при расщеплении воды, а выделяющийся углекислый газ - за счет дыхания и разложения органических соединений.

Процессы фотосинтеза с одной стороны, дыхания и разложения органических соединений с другой взаимно уравновешивают друг друга. Поэтому количество углерода и кислорода, участвующих в биотическом круговороте остается достаточно постоянным. Вовлечение в эту систему углерода, образующегося в результате геологических процессов (извержение вулканов, пожары и химическое взаимодействие с различными соединениями) незначительно, однако при нарушении продукции и деструкции органического вещества возможны предпосылки как для усиленного образования органических полезных ископаемых (каменных углей, горючих сланцев и т.д.), так и для замедления этого процесса.

Антропогенные факторы (развитие промышленности, сжигание органического топлива, войны, вспашка почвы при ведении сельского хозяйства, сокращение площади лесов - тропических лесов Амазонской низменности, Тропической Африки и Юго-Восточной Азии, являющихся основными производителями кислорода на планете и пр.) могут более выраженно нарушать равновесие между этими биотическими элементами. За последние 100 лет, пусть и незначительно, но содержание кислорода в атмосфере понижается. Это не представляет опасности для дыхания живых организмов ни сейчас, ни в отдаленном будущем, однако приводит к уменьшению содержания озона в верхних слоях атмосферы ("озоновые дыры"), что способствует увеличению потока жесткого ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли.

Повышение концентрации СО 2 в атмосфере вызывает парниковый эффект. Он обусловлен тем, что СО 2 и другие парниковые газы, например, метан, препятствует тепловому потоку, излучаемому нагретой солнечными лучами земной поверхностью уходить в космическое пространство. Это приводит к постоянному повышению температуры надземного слоя атмосферы и пока к очень медленному (до 1-2 мм в год) повышению уровня Мирового океана, значительному сокращению площади вечных льдов Северного Ледовитого океана, отступлению на север кромки арктических льдов и южных границ зон тундры и лесотундры.

С другой стороны повышение содержания пыли, дымов и других твердых загрязнителей в атмосфере может снизить температуру приземных слоев атмосферы, поскольку пыль отражает солнечные лучи в космическое пространство, что уменьшает нагрев ими земной поверхности (эффект зеркала). Математическое моделирование последствий военного конфликта даже с ограниченным применением ядерного оружия показало, что задымление и запыление атмосферы может привести к понижению средней температуры на поверхности Земли на 5-6°С, что вызовет наступление нового ледникового периода ("ядерная зима").

От того, какой из возможных сценариев развития атмосферных процессов ("всемирный потоп" или "ледниковый период") может реализоваться в результате вмешательства человека, во многом зависит будущее человечества.

Азот является одним из основных биогенных элементов, входящий в состав белков. В живых организмах содержится в среднем 3% азота. На Земле запасы азота огромны. Только в атмосфере его содержание по объему составляет 79%.

Газообразный азот возникает в результате реакции окисления аммиака, образующегося при извержении вулканов (это ювенильный азот, который ранее не входил в состав биосферы) и разложении биологических отходов. Однако в свободном состоянии он не усваивается ни высшими растениями, ни животными. Молекулярный азот обладает очень слабой реакционной способностью, он не ядовит, но и не поддерживает жизненных процессов. Само название "азот" в переводе с древнегреческого означает "безжизненный" (а - отрицательная частицы, "зоон" - жизнь).

Эукариоты могут использовать только "связанный азот", входящий в состав неорганических и органических веществ, таких как аммиак (NH 4), нитриты (NО 2 -) и нитраты (NО 3 -), а также белков.

В органические соединения свободный (молекулярный) азот переводят азотфиксирующие бактерии и сине-зеленые водоросли. Кроме того, незначительная часть свободного азота под действием электрических разрядов в атмосфере может превращаться в соединении с водой в азотистую и азотную кислоты. Последние, поступая в почву, образуют соли. В связанном состоянии азот (в виде нитрат-ионов (NО 3 -) и ионов аммония (NH 4 +)) усваивается растениями [показать] и используется для синтеза белков.

От количества связанного азота в почве в огромной степени зависит ее плодородие. Еще в Древней Греции и Риме знали, что бобовые растения (фасоль, горох) резко повышают плодородие почвы, тогда как остальные культуры ее снижают. Об этом писали основоположник ботаники Теофраст, римские ученые Катон, Варрон, Плиний Старшй и Вергилий. Однако только в 1830 году французский агрохимик Ж.Б. Буссенго обнаружил, что бобовые обогащают почву азотом, но ошибочно полагал, что растения по какой-то причине умеют фиксировать молекулярный азот атмосферы. На самом деле, бобовые получают азот путём симбиотической азотфиксации благодаря клубеньковым бактериям, что было показано М.С. Ворониным в 1866 году и подтверждено Г. Гельригелем.

Клубеньковые бактерии - это особые азотфиксирующие бактерии на корневой системе растений семейства бобовых. Свое название они получили из-за способности образовывать на корнях особые утолщения (клубеньки). Клубеньковые бактерии - самые активные потребители азота, превращающего его в нитраты. В нaстоящее время известно около 13 тысяч видов бобовых растений, на корнях которых поселяются азотфиксирующие бактерии. Кроме того, последние поселяются и на корнях около 200 видов растений из других семейств, например, ольхи, облепихи и др.

Среди азотфиксирующих бактерий имеются и свободноживущие виды, обитающие в почве, воде, донных илах и т.д. Некоторые виды встречаются даже в рубце жвачных животных.

Фиксировать азот способы также некоторые актиномицеты и цианобактерии. Поэтому последние способны жить в водоемах, почти не содержащих биогенных элементов, например, в геотермальных источниках. Высокие урожаи риса в странах Юго-Восточной Азии во многом обусловлены тем, что на затапливаемых водой рисовых полях интенсивно развиваются цианобактерии, обогащающие донный ил связанным азотом.

Азотфиксирующие цианобактерии образуют мутуалистические ассоциации с некоторыми видами мхов, например, со сфагнумом, водным папоротником азоллой, голосемянными и цветковыми растениями. Симбионтная фиксация азота оценивается в среднем в 100-200 кг на га в год, а его фиксация свободноживущими организмами - только 1-5 кг на га в год.

Считается, что биологическая фиксация азота в биосфере составляет 150 миллионов тонн. Для сравнения, мировое производство азотных удобрений в 2000 г. равнялось 85 миллионов тонн.

Механизм биологический фиксации азота контролирует небольшая группа компактно расположенных 20 генов (nif-система). Ее структура у разных у разных групп азотфиксаторов (бактерии, цианобактерии) практически одинакова. Некоторые вирусы способны отрывать nif-систему от молекулы ДНК азотфиксирующей бактерии и присоединять ее к ДНК других видов бактерий. Предполагается, что nif-система возникла сравнительно недавно у какого-нибудь одного вида бактерий; затем она посредством вирусов была перенесена в другие виды бактерий и цианобактерий.

Растения, имеющие симбионтов-азотфиксаторов, часто являются пионерными видами, которые поселяются на бедных азотом почвах на начальных стадиях сукцессии. В результате их деятельности содержание связанного азота в почве может повыситься настолько, что оно перестает быть лимитирующим фактором для других видов растений. Поэтому в процессе сукцессии такие почвы быстро заселяются другими видами растений, которые затем вытесняют пионерные виды. Поэтому бобовые растения практически никогда не доминируют в климаксных сообществах. По этой же причине в сельском хозяйстве невозможно выращивать на одном и том же поле несколько лет подряд бобовые растения. Их посевы глушатся сорняками, интенсивно развивающимися на обогащенных азотом почвах. Поэтому бобовые растения иногда называют "рaстениями-самоубийцами" или "растениями-камикадзе".

Растительные белки употребляются животными и человеком в пищу. В их организмах белки расщепляются до аминокислот и мочевины, выделяющейся затем во внешнюю среду. После отмирания организмов гнилостные (аммонифицирующие) бактерии разлагают азотсодержащие соединения до аммиака, а хемосинтезирующие (нитрифицирующие) бактерии переводят аммиак в соли азотистой и азотной кислот, которые вновь могут быть усвоены растениями. Эти реакции идут с выделением энергии, которая используется нитрификаторами для образования АТФ и синтеза органических соединений. Поэтому процессы нитрификации иногда называют "азотным дыханием".

Денитрифицирующие бактерии разлагают аммиак до свободного азота. Результатом является обеднение почвы и воды соединениями азота и пополнение молекулярным азотом атмосферы. Некоторое количество соединений азота оседает в глубоководных отложениях и надолго (миллионы лет) выключается из круговорота. Эти потери компенсируются поступлением азота в атмосферу с вулканическими газами. Так замыкается круговорот азота.

Деятельность азотфиксирующих и денитрифицирующих бактерий взаимно уравновешивает друг друга. Поэтому количество атмосферного азота, связываемого азотфиксаторами, приблизительно равно его количеству, возвращаемому денитрификаторами в атмосферу, что позволяет поддерживать запасы азота в биосфере на постоянном уровне. Период круговорота всего запаса азота в биосфере оценивается приблизительно в 1000 лет.

Сельскохозяйственная деятельность человека, направленная на получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур, изменяет баланс азота в биогеоценозе за счет внесения в почу азотных удобрений. Это могут быть как органические удобрения - торфокрошка, перегнившая листва, продукты жизнедеятельности живых организмов (гуано - экскременты птиц), так и минеральные удобрения (суперфосфат, аммиачная селитра и др.), промышленное производство которых постоянно растет.

Широкое и в ряде случаев неправильное применение минеральных удобрений (азотных, фосфорных, калийных) в сельском хозяйстве приводит к вымыванию их атмосферными осадками и грунтовыми водами из почвы в водоемы. Особенно большое количество соединений азота накапливается в стоячих водоемах - прудах, малопроточных озерах, а также в колодцах, берущих воду из самого верхнего водоносного слоя, повышая предельно допустимую концентрацию азота в питьевой воде.

Повышение содержания биогенных элементов в водоеме приводит к их эвтрофированию, интенсивному развитию в них автотрофных организмов, в первую очередь планктонных водорослей. Ее наглядным примером является цветение водоемов, что имеет такие неприятные последствия, как снижение рекреационных свойств водоемов, ухудшение качества воды, гибель многих видов водных организмов, в том числе рыб. Поэтому в последние годы разрабатываются нетрадиционные методы увеличения содержания азота в почве:

• Налажено выращивание ряда штаммов азотфиксирующих бактерий на заводах белково-витаминных препаратов. Их концентрированную культуру в сочетании с минеральными удобрениями вносят в почву или добавляют в корм скоту.
• Делаются эксперименты по внедрению генов азотфиксирующих бактерий, которые регулируют фиксацию азота, в другие виды почвенных бактерий.
• Проводятся исследования по выведению штаммов азотфиксирующих бактерий, которые могли бы развиваться на корнях культурных растений, например, злаковых, и крестоцветных и пасленовых.

В количественном отношении вода самая распространённая неорганическая составляющая живой материи. В трех агрегатных состояниях она присутствует во всех составных частях биосферы: атмосфере, гидросфере и литосфере. Если воду, находящуюся в различных гидрогеологических формах, равномерно распределить по соответствующим областям земного шара, то образуются слои следующей толщины:

• для Мирового океана 2700 м,
• для ледников 100 м,
• для подземных вод 15 м,
• для поверхностных пресных вод 0,4 м,
• для атмосферной влаги 0,03 м.

Круговорот воды - это замкнутый цикл, который может совершаться и в отсутствии жизни, но живые организмы видоизменяют его.

Основную роль в циркуляции и биогеохимическом круговороте воды играет атмосферная влага, несмотря на относительно малую толщину её слоя. Под действием энергии Солнца вода испаряется с поверхности водоемов и воздушными течениями переносится на большие расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она расходуется на просачивание (инфильтрацию), испарение и сток.

Просачивание особенно важно для наземных экосистем, так как способствует снабжению почвы водой и, способствуя разрушению горных пород, делает составляющие их минералы доступными для растений, микроорганизмов и животных. В процессе инфильтрации вода, размывая верхний почвенный слой, вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими и неорганическими частицами, поступает в водоносные горизонты, подземные реки, моря и океаны.

Испарение воды происходит двояким способом: значительное количество воды выделяют сами растения своей листвой после извлечения ее из почвы; другая часть воды испаряется с поверхности почвы. Суммарное испарение (деревья и почва) играют главную роль в круговороте воды на континентах.

Сток воды - процесс стекания дождевых, талых и подземных вод в водоемы происходящий по земной поверхности (поверхностный сток) и в толще земной коры (подземный сток). Сток также является составным звеном влагооборота на Земле и состоит из трех фаз: половодье, паводки, межень. Особенностью стока является его изменчивость в пространстве и во времени. Различают русловой и склоновый стоки. При уменьшении плотности растительного покрова сток становится основной причиной эрозии почвы.

Вода участвует и в биологическом цикле, являясь источником кислорода, который поступает в атмосферу и водорода, который фиксируется в виде органических соединений. Однако фотолиз воды в клетках растений при фотосинтезе не играет существенной роли в процессе круговорота. Также не играет существенной роли потребяемая животными вода, которая выделяется во внешнюю среду вместе с продуктами обмена веществ.

Из природных источников сера попадает в атмосферу в виде сероводорода, диоксида серы и частиц сульфатных солей. Техногенные выбросы серы в атмосферу (в основном в виде оксилов) происходят при сгорании органического топлива. В атмосфере протекают реакции, приводящие к кислотным осадкам:

2SO 2 + O 2 --> 2SO 3 ,
SO 3 + H 2 O --> 2H + + SO 4 2- .

Со стоками воды сера попадает в Мировой океан и поглощается морскими обитателями. Особенно много серы накапливается в моллюсках. Круговорот серы в морях происходит благодаря сульфатредуцирующим бактериям. Некоторые из них накапливают серу в своих организмах, а после гибели бактерии вся сера остается на дне океана.

На континентах круговорот серы происходит благодаря растениям. Хемосинтезирующие бактерии, способные получать энергию путем окисления восстановленных соединений серы, переводят серу в доступную для усвоения растениями форму. В растениях синтезируются серосодержащие аминокислоты – цистеин, цистин, метионин, поступающие в пищу. При отмирании растений сере вновь переходит в почву, где бактериями органическая серы восстанавливается до мнеральной, а затем вновь окисляется до сульфатов, которые поглощаются корнями растений. Глубоко залегающие сульфаты вовлекаются в круговорот другой группой микроорганизмов, восстанавливающих сульфаты до сероводорода (рис. 77).

Из пород земной коры неорганический фосфор частично вымывается осадками и попадает в речные системы, моря и океаны, а частично поглощается растениями, которые при его участии синтезируют различные органические соединения и таким образом включаются в трофические цепи. По пищевым цепям фосфор переходит от растений ко всем прочим организмам экосистемы. Затем органические фосфаты вместе с выделениями или трупами возвращаются в землю, где снова подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в формы, употребляемые зелёными растениями. Круговорот здесь проходит в естественных оптимальных условиях с минимумом потерь.

В водных источниках, в связи с постоянным оседанием органических веществ, часть фосфора оседает в глубоководных отложениях и выключается из круговорота до тектонических подвижек, способных поднять осадочные породы к поверхности. Другая часть фосфора включается в круговорот, способствует развитию фитопланктона и живых организмов и благодаря вылову рыбы в незначительных количествах возвращается на сушу.

Кроме того, большое влияние на кругооборот фосфора оказывает деятельность человека. Добыча большого количества фосфатных руд для минеральных удобрений приводит к уменьшению количества фосфора в одном биогеоценозе и увеличивает в другом. Стоки с полей, ферм и коммунальные отходы, содержащие фосфор из моющих средств, приводят к увеличению фосфат-ионов в водоемах, к резкому росту водных растений и нарушению равновесия в водных экосистемах.

Круговорот радиоактивных веществ

С 1944 года человек начал вводить в биогеохимический круговорот радиоактивные вещества. Значение некоторых из них можно проиллюстрировать на примере стронция-90. В цикле образования и эрозии осадков стронций перемещается вместе с кальцием. Кальций составляет 7% материала, переносимого реками. Стронций попадает вместе с кальцием в систему биологического круговорота. На Крайнем Севере, где выпадало большое количество радиоактивных осадков, лишайники поглощают почти 100% радиоактивных частиц, падающих на землю. Северные олени, питающиеся лишайниками, концентрируют стронций в своем организме, а затем он накапливается в тканях людей, употребляющих в пищу мясо этих животных; в организме некоторых людей уже сейчас содержится 1/3-1/2 допустимой дозы стронция. Эта проблема существует и в других районах. В Европе и Северной Америке отмечено неуклонное повышение содержания стронция в костях у детей и взрослых, получивших его с молоком от коров, которые в свою очередь получили его от растений. Накопление радиоактивных изотопов в организмах часто используют для определения трофических связей организмов в сообществах.

Вывод

Таким образом, биотические и геологические циклы позволяют поддерживать существование жизни на земле. При этом интенсивность жизнедеятельности всех трех основных слагаемых органического мира – продуцентов (производителей), консументов (потребителей) и редуцентов (разрушителей) – обязательно находится во взаимном равновесии и испытывая на себе влияние факторов неживой природы, своей деятельностью изменяют условия окружающей среды, т.е. среды своего обитания. Это приводит к изменению структуры всего сообщества - биоценоза.