Видеоурок 1: Взаимодействие организма и среды. Экосистемы. Биогеоценозы
Видеоурок 2:
Абиотические факторы: температура и освещенность
Видеоурок 3:
Биотические факторы
Лекция: Экосистема (биогеоценоз), её компоненты: продуценты, консументы, редуценты, их роль
Экосистема
Экосистема – это сообщество живых организмов, пространственной среды их обитания и системы взаимосвязей между всеми участниками.
Особенностями экосистемы являются ее способности к саморегуляции, развитию и самоорганизации. Экосистемой может называться сообщество, в котором стабильно и на протяжении длительного времени происходит круговорот вещества и энергии. Таким образом, например, домашний аквариум экосистемой называться не может, так как неспособен самостоятельно поддерживать собственную жизнедеятельность без участия человека. Равно, не является экосистемой и трухлявый пень в лесу, так как жизнедеятельность в нем является частью большей экосистемы.
Примерами экосистемы могут быть – пруд, лес, луг. Например, в пруду обитают различные животные, растения, микроорганизмы, являющиеся живыми компонентами экосистемы. Между ними имеются связи в плане переноса вещества и энергии – трофические взаимоотношения. На них оказывают влияние физические и химические параметры воды, геологические характеристики дна и стенок водоема, сезонные климатические изменения.
Одним из важных параметров для определения границ экосистемы, является наличие трофических связей между ее компонентами, фактов передачи ими друг другу веществ и энергии.
Любая экосистема является с точки зрения физики открытой системой, в которой есть входящие и выходящие потоки энергии и вещества.
Синонимом термина экосистема является понятие биогеоценоз.
Биотический и абиотический компоненты
В любом биогеоценозе выделяются биотический и абиотический компоненты. При этом участники биотического компонента по своей роли в ней могут быть:
продуцентами. Это автотрофные и хемотрофные организмы, преобразующие энергию и неорганические вещества в органические;
консументами. Это гетеротрофные потребители энергии, находящейся в веществе в виде химических связей. Они могут подразделяться на несколько порядков: консументы первого поедают растения и хемотрофов, второго – поедают консументов первого, то есть растительноядных животных, третьего – питаются консументами второго, то есть мелкими хищниками;
редуцентами. Это гетеротрофы, разлагающие органику на простые органические и минеральные вещества. К ним относятся грибы, многие простейшие, личинки некоторых насекомых, питающиеся опавшей листвой, погибшими животными.
Между биотическими компонентами экосистемы формируются устойчивые трофические связи. К абиотическим факторам относятся влияния неживой природы.
Еще одним важным понятием биогеоценологии является продуктивность экосистемы. Это понятие определяет количественную биомассу, произведенную экосистемой, то есть совокупность всех живых существ в ней. Расчет биомассы обычно производится в единицах количества массы живых существ на единицу площади.
Границы экосистемы
В большинстве случаев экосистемы не имеют четких границ, для сообществ, образующихся на границах разных экосистем даже создан специальный термин, их принято называть экотонами.
Для удобства изучения, рассматриваются два типа границ экосистем:
Видовые – этот тип границ определяется ареалом расселения отдельных особей, обитающих в конкретной экосистеме;
Пространственные – определяются чаще всего ландшафтными. Луг с одной стороны горы и с другой – будут считаться различными экосистемами.
Трофические цепи и сети
Каждая из экосистем характеризуется наличием трофических цепей и сетей:
Цепью питания называется последовательно связанная пищевыми отношениями группа видов. Каждое из предыдущих звеньев цепи является пищей для следующего.
Так, примером цепи питания может служить последовательность:
растения – насекомые – головастик – форель – донные сапрофиты.
При каждом переходе вещества от одного звена к другому происходит потеря (тратится на жизнь предыдущего звена и выделяется в виде тепла) до 90% потенциальной энергии. Именно поэтому число звеньев в трофических цепях обычно ограничено четырьмя-пятью.
Трофической сетью называется более сложная структура пищевых отношений, учитывающая, что каждое звено пищевой цепи может быть пищей для разных видов. Так, траву едят не только травоядные животные, но и насекомые, и всеядные животные. При отслеживании таких взаимоотношений получается графическая схема, напоминающая разветвленную сеть.
Известно 2 основных типа трофических цепей:
1) пастбищная – в ней первичным звеном являются зеленые растения-продуценты. Характерен для луговых, океанических экосистем;
2) детритная – в ней первым звеном являются сапротрофы (редуценты), разлагающие органику. Сапротрофами питаются другие организмы.
При этом, в пастбищных цепях питания участвует только 10% энергии, остальные 90% – приходятся на долю детритных. Это связано с тем, что огромная часть энергии, создаваемой автотрофами, переходит в органические «отходы», где используется сапротрофами.
Правило экологической пирамиды
Графическое изображение количественных соотношений между участниками цепей питания называется экологической пирамидой.
Такое изображение пищевых отношений основано на правиле Лендемана:
Правило экологической пирамиды: "При передаче вещества от одного трофического уровня к другому количество доступной для усвоения энергии становится в 10 раз меньше".
Оно используется для приближенных вычислений при решении задач по экологии и предлагает считать, что для прокорма растительноядных животных необходима масса растений, в 10 раз превышающая их собственную. Для прокорма хищника – требуется масса мяса растительноядных, превышающая его массу в 10 раз.
| | |
Понятие «экосистема». Три принципа функционирования экосистем.
Экологическая система - одно из важнейших понятий экологии, сокращенно – экосистема.
Экосистема
Экосистема - это надорганизменные объединения, включающие организмы и неживое (косное) окружение, находящиеся во взаимодействии, без чего невозможно поддержание жизни на нашей планете. Это сообщество растительных и животных организмов и неорганической среды.
Исходя из взаимодействия живых оpганизмов, обpазующих экосистему, между собой и сpедой их обитания, в любой экосистеме выделяют взаимообусловленные совокупности биотических (живые организмы) и абиотических (косная или неживая природа) компонентов, а также факторы среды (такие как солнечная pадиация, влажность и темпеpатуpа, атмосферное давление), антропогенные факторы и другие.
К абиотическим компонентам экосистем относятся неорганические вещества - углерод, азот, вода, атмосферная углекислота, минералы, органические вещества, находящиеся преимущественно в почве: белки, углеводы, жиры, гуминовые вещества и др., попавшие в почву после отмирания организмов.
К биотическим компонентам экосистемы относятся продуценты, автотрофы (растения, хемосинтетики), консументы (животные) и детритофаги, редуценты (животные, бактерии, грибы).
Экосистема – это совокупностьвсех популяций разных видов, проживающих на общей территории вместе с окружающей их неживой средой, называют экологической системой или экосистемой.
Группы природных экосистем. Деление экосистем по размерам.
В природе существуют следующие группы экосистем:
Термин “экосистема” можно применить к сообществам организмов и их средам различных размеров. Экосистемы - это капли воды с ее обитателями, лужа, пруд, озеро, океан, луг, тайга, степь, лес, пустыня, тундра, суша, биосфера.
Микросистема - гниющий древесный пень.
Мезоэкосистема - средняя по размерам: лесная ассоциация, пруд.
Макроэкосистема - океан, континент.
Гигантская экосистема - земной шар, где все экосистемы связаны в целом условиями существования на Земле, последняя экосистема приводит к представлению о “биосфере”.
Компоненты экосистемы. Продуценты, консументы, детритофаги, редуценты и их роль в экосистеме.
Движущей силой в любой материальной системе служит энергия. В экосистемы она поступает главным образом от Солнца. Растения за счет содержащегося в них пигмента хлорофилла улавливают энергию излучения Солнца и используют ее для синтеза основы любого органического вещества - глюкозы C 6 H 12 O 6 . Это есть процесс фотосинтеза.
Кроме растений продуцировать органическое вещество могут некоторые бактерии. Они создают свои ткани, запасая в них, как и растения, потенциальную энергию из углекислого газа без участия солнечной энергии. Вместо нее они используютэнергию, которая образуется при окислении неорганических соединений, например, аммиака, железа и особенно серы (в глубоких океанических впадинах, куда не проникает солнечный свет, но где в изобилии скапливается сероводород, обнаружены уникальные экосистемы). Это так называемая энергия химического синтеза, поэтому организмы называются хемосинтетиками. Таким образом, растения и хемосинтетики создают органическое вещество из неорганических составляющих с помощью энергии окружающей среды. Их называют продуцентами или автотрофами . Высвобождение запасенной продуцентами потенциальной энергии обеспечивает существование всех остальных видов живого на планете.
Пpодуценты, использующие солнечную энеpгию для пpодуциpования оpганического вещества из неорганических, называются автотpофами (автос - сам, троф - питаться), а использующие химическую энеpгию - хемотpофами. К автотрофам относятся зеленые pастения, мхи, лишайники, зеленые и синезеленые водpосли.
Все живые организмы поспособу питания можно разделить на два класса: автотрофные и гетеротрофные организмы.
Организмы, которые не могут строить собственное вещество из минеральных компонентов, вынуждены использовать то, что создано автотрофами, поедая их, называются гетеротрофами (heteros – другой), что означает «питаемый другими», или консументами (от лат. консумо – потреблять). Они используют в качестве пищи готовые органические вещества, т.е. они питаются другими животными организмами, растениями или их плодами.
Консументы делятся на три группы :
Консументы первого порядка - животные, питающиеся непосредственно продуцентами. К ним относятся, прежде всего, растительноядные животные.
Консументывторого порядка, питающиеся консументами первого порядка, т.е. плотоядные хищники, питающиеся растительноядными животными.
Консументы третьего порядка - также плотоядные хищники, питающиеся плотоядными животными.
Например, кролик, питающийся морковкой, - это консумент первого порядка, а лиса, охотящаяся за кроликом, - консумент второго порядка. Некоторые виды живых организмов соответствуют нескольким таким уровням. Например, когда человек ест овощи - он консумент первого порядка, говядину - консумент второго порядка, а, употребляя в пищу хищную рыбу, выступает в роли консумента третьего порядка. Виды, употребляющие в пищу как растения, так и животных, относятся к всеядным, например, человек.
Продуценты и консументы являются биотическим компонентом экосистем и составляют биомассу (живой вес) биосферы, или экосистем.
Редуценты или деструкторы (reducens – возвращать), или детритофаги – гетеротрофные организмы, разлагающие органические остатки всех трофических уровней – остатки пищи, мертвые организмы. Редуценты служат на Земле санитарами и замыкают биогеохимический круговорот веществ.
Мертвые растительные и животные остатки, например опавшие листья, трупы животных, продукты систем выделения, называются детритом . Детрит – это органика, богатая биогенами и энергией.
Существует множество организмов, специализирующихся на питании детритом. Они называются детритофагами.
Сухопутные детритофаги – это воpоны, галки, гиены, оpлы-стеpвятники, грифы, шакалы, жуки-навозники, мухи, дождевые черви, термиты, муравьи, двупарноногие многоножки, личинки некоторых насекомых и т.п. Они питаются органическим веществом из почвы и живыми организмами, населяющими ее. К водным детритофагам относятся грунтоеды. Множество оpганизмов - детpитофагов живет в почве, коpолем почвы может быть назван дождевой чеpвь, поедающий отмеpшие ткани pастений.
Редуценты – это грибы и микроорганизмы, питающиеся детритом.
В любой экосистеме все детритофаги и редуценты играют одну и ту же роль. Они питаются мертвым органическим веществом, разлагая его и завершая биологический круговорот веществ.
Понятие экосистемы и биогеоценоза, их сходство и различие.
Экосистема (от греч. ойкос – жилище и система) – это любое сообщество живых существ вместе со средой их обитания, связанное внутри сложной системой взаимоотношений.
Биогеоценоз (от греч. биос – жизнь, гео – Земля, ценоз – сообщество)- это совокупность организмов и природных явлений, характерных для данной географической местности.
Структура биогеоценоза включает две компоненты биотическую – сообщество живых растительных и животных организмов (биоценоз) – и абиотическую - совокупность неживых факторов среды (экотоп, или биотоп).
Биогеоценоз = биоценоз (фитоценоз+зооценоз+микробоценоз)+биотоп (климатоп+ эдафотоп).
Примерами биогеоценозов могут быть пруд, луг, смешанный или однопородный лес. На уровне биогеоценоза происходят все процессы трансформации энергии и вещества в биосфере.
Термины «экологическая система» и «биогеоценоз» не являются синонимами . Экологическая система есть любая совокупность организмов и окружающей их среды. Так, в качестве э косистемы можно рассматривать, например, горшок с цветком, террариум, фитотрон, пилотируемый космический корабль. У всех названных совокупностей организмов и среды отсутствует ряд признаков, приведенных в определении В. Н. Сукачева, и в первую очередь, элемент «гео» – Земля. Примерами биогеоценозов могут быть пруд, луг, смешанный или однопородный лес и т.д.. Биогеоценозы – это природные образования. В то же время биогеоценоз может рассматриваться и как экологическая система. Таким образом, понятие «экосистема» шире, чем «биогеоценоз ».
Продуценты – организмы, создающие органическое вещество из неорганических соединений (автотрофы – растения, создающие органическое вещество путем фотосинтеза, хемотрофы – некоторые организмы, создающие органику за счет химических реакций).
Редуценты – организмы, в ходе жизнедеятельности превращающие органическое вещество в неорганическое (большинство микроорганизмов, грибы).
Редуценты живут за счет мертвого органического вещества, переводя его вновь в неорганические соединения. Классификация эта относительна, так как и консументы, и сами продуценты выступают частично в роли редуцентов, в течение жизни выделяя в окружающую среду минеральные продукты обмена веществ.
В принципе круговорот атомов может поддерживаться в системе и без промежуточного звена - консументов, за счет деятельности двух других групп. Однако такие экосистемы встречаются скорее как исключения, например в тех участках, где функционируют сообщества, сформированные только из микроорганизмов. Роль консументов выполняют в природе в основном животные, и их деятельность по поддержанию и ускорению циклической миграции атомов в экосистемах сложна и многообразна.
Пищевые цепи и трофические уровни
Органические молекулы , синтезированные автотрофами, служат источником питания (вещества и энергии) для гетеротрофных животных. Этих животных в свою очередь поедают другие животные и таким путем происходит перенос энергии через ряд организмов, где каждый последующий питается предыдущим. Такая последовательность называется пищевой цепью, а каждое звено цепи соответствует определенному трофическому уровню (от греч. troph - еда). Первый трофический уровень всегда составляют автотрофы, называемые продуцентами (от лат. producere - производить). Второй уровень - это растительноядные (фитофаги), которых называют консументами (от лат. consumo - «пожираю») первого порядка; третий уровень (допустим, хищники) - консументы второго порядка и т. д.
В экосистеме обычно бывает 4-5 трофических уровней и редко больше 6. Частично это обусловлено тем, что на каждом из уровней часть вещества и энергии теряется (неполное поедание пищи, дыхание консументов, «естественная» гибель организмов и т. п.); такие потери отражены на рисунке и подробнее обсуждаются в соответствующей статье. Однако, судя по результатам недавних исследований, длина пищевых цепей ограничивается и другими факторами. Возможно, существенную роль играют доступность предпочитаемой пищи и территориальное поведение, снижающее плотность расселения организмов, а, значит, и численность консументов высших порядков в конкретном местообитании. По существующим оценкам, в некоторых экосистемах до 80% первичной продукции не потребляется фитофагами. Мертвый же растительный материал становится добычей организмов, питающихся детритом (детритофа-гов) или редуцентов (деструкторов). В таком случае говорят о детритных пищевых цепях. Детрит-ные пищевые цепи преобладают, например, в дождевых тропических лесах.
Продуценты
Практически все продуценты - фотоавтотрофы, т. е. зеленые растения, водоросли и некоторые прокариоты, например цианобактерии (раньше их называли сине-зелеными водорослями). Роль хемоавтотрофов в масштабах биосферы пренебрежимо мала. Микроскопические водоросли и цианобактерии, составляющие фитопланктон, являются главными продуцентами водных экосистем. Напротив, на первом трофическом уровне наземных экосистем преобладают крупные растения, например деревья в лесах, травы в саваннах, степях, на полях и т. д.
Поток энергии и круговорот веществ в типичной пищевой цепи. Обратите внимание, что между хищниками и детритофагами, а также редуцентами, возможен двусторонний обмен: детритофаги питаются мертвыми хищниками, а хищники в ряде случаев поедают живых детритофагов и редуцентов. Фитофаги - консументы первого порядка; плотоядные - консументы второго, третьего и т. д. порядков.
Консументы первого порядка
На суше основные фитофаги - насекомые, рептилии, птицы и млекопитающие. В пресной и морской воде это обычно мелкие ракообразные (дафнии, морские желуди, личинки крабов и т. д.) и двустворчатые моллюски; большинство их - фильтраторы, отцеживающие продуцентов, как описано в соответствующей статье. Вместе с простейшими многие из них входят в состав зоопланктона - совокупности микроскопических дрейфующих гетеротрофов, которые питаются фитопланктоном. Жизнь океанов и озер почти полностью зависит от планктонных организмов, составляющих фактически начало всех пищевых цепей в этих экосистемах.
Продуценты, консументы и редуценты в структуре биологических сообществ
Согласно функциональной классификации живых организмов, их подразделяют на три основные группы:
- продуцентов,
- консументов,
- редуцентов.
Первые продуцируют органические вещества из неорганических, вторые подвергают их различным преобразованиям, миграции, концентрации и т.д., а третьи – разрушают в процессе минерализации до образования простейших неорганических соединений. Рассмотрим роль этих групп организмов в круговороте веществ более подробно.
Продуценты
К группе продуцентов относятся автотрофы (фототрофы – в основном растения, и хемотрофы – преимущественно некоторые бактерии). В наземных экосистемах продуценты являются доминантами по массе, численности (не всегда) и энергетической роли в экосистемах. В водных экосистемах по биомассе они могут и не доминировать, однако по численности и роли в сообществе остаются доминантами.
Результатом деятельности продуцентов в экосистемах является валовая биологическая продукция - суммарная или общая продукция особей, сообществ, экосистем или биосферы в целом, включая расходы на дыхание. Если исключить расход энергии на обеспечение жизнедеятельности самих продуцентов, то остается чистая первичная продукция. На всей территории суши она составляет 110-120 млрд. т сухого вещества, а моря 50-60 млрд. т. Первичная валовая продукция в два раза больше.
Количество валовой (и чистой) первичной продукции экосистем и биосферы в целом определяется проективным покрытием территории продуцентами (максимально – до 100% в лесах, и даже более, поскольку существует ярусность, и одни продуценты находятся под пологом других), и эффективностью фотосинтеза, которая очень низка. Для образования биомассы используется лишь около 1% солнечной энергии, поступившей на поверхность растительного организма, обычно существенно меньше.
Консументы
Пищей для консументов служат продуценты (для консументов первого порядка) или другие консументы (для консументов второго и последующих порядков). Подразделение консументов на порядки иногда встречает определенные трудности, когда, например, состав пищи какого-либо вида включает как растительный корм, так и животный, причем добываемые ими консументы сами могут относиться к разным порядкам. Однако в каждый определенный момент времени любой консумент относится к вполне определенному порядку.
В различных экосистемах на долю консументов приходится разное количество перерабатываемой первичной продукции. Так, в лесных сообществах консументами суммарно потребляется от 1% до 10% чистой первичной продукции растений, редко больше. Остальная органика идет в опад за счет гибели растений и их частей (например, опавшие листья), и частично также потребляется консументами (детритная цепь питания), частично перерабатывается редуцентами. В открытых травянистых сообществах (луга, степи, пастбища) консументами может потребляться до 50% биомассы живых растений (обычно существенно меньше). Близкие показатели характерны для прибрежных сообществ океанов (где продуцентами служат водоросли-макрофиты) и пресноводных экосистем. В пелагических океанических сообществах, основанных на фитопланктоне, консументами выедается до 90% формируемой продуцентами биомассы.
Замечание 1
Ассимилированная продукция консументов - съеденная пища минус органическое вещество экскрементов. В свою очередь чистая продукция консумента любого уровня - это ассимилированная чистая продукция за вычетом расходов на дыхание.
Редуценты
Редуценты (редукторы) – неотъемлемая часть любой экосистемы. Они разрушают высокомолекулярные органические вещества отмерших организмов и используют высвобождающуюся при этом энергию для собственной жизнедеятельности, при этом в биотический круговорот возвращаются минеральные вещества, которые затем вновь используются продуцентами. Как правило, редуценты имеют мелкие размеры. Иногда выделяют группу так называемых макроредуцентов, включая в нее всех относительно крупных потребителей отмершей органики, которые входят в состав детритной пищевой цепи. При таком понимании к редуцентам относят многих беспозвоночных – насекомых, червей и т.д.
Законы организации экосистем
В биоценозах живые организмы теснейшим образом связаны не только друг с другом, но и с неживой природой. Связь эта выражается через вещество и энергию.
Обмен веществ, как известно, одно из главных проявлений жизни. Говоря современным языком, организмы представляют собой открытые биологические системы, так как они связаны с окружающей средой постоянным потоком вещества и энергии, проходящим через их тела. Материальная зависимость живых существ от среды была осознана еще в Древней Греции. Философ образно выразил это явление в таких словах: “Текут наши тела, как ручьи, и материя постоянно обновляется в них, как вода в потоке”. Вещественно-энергетическую связь организма со средой можно измерить.
Поступление пищи, воды, кислорода в живые организмы - это потоки вещества из окружающей среды. Пища содержит энергию, необходимую для работы клеток и органов. Растения напрямую усваивают энергию солнечного света, запасают ее в химических связях органических соединений, а затем она перераспределяется через пищевые отношения в биоценозах.
Потоки вещества и энергии через живые организмы в процессах обмена веществ чрезвычайно велики. Человек, например, за свою жизнь потребляет десятки тонн еды и питья, а через легкие - многие миллионы литров воздуха. Многие организмы взаимодействуют со средой еще более интенсивно. Растения на создание каждого грамма своей массы тратят от 200 до 800 и более граммов воды, которую они извлекают из почвы и испаряют в атмосферу. Вещества, необходимые для фотосинтеза, растения получают из почвы, воды и воздуха.
При такой интенсивности потоков вещества из неорганической природы в живые тела запасы необходимых для жизни соединений - биогенных элементов - давно были бы исчерпаны на Земле. Однако жизнь не прекращается, потому что биогенные элементы постоянно возвращаются в окружающую организмы среду. Происходит это в биоценозах, где в результате пищевых отношений между видами синтезированные растениями органические вещества разрушаются в конце концов вновь до таких соединений, которые могут быть снова использованы растениями. Так возникает биологический круговорот веществ.
Таким образом, биоценоз является частью еще более сложной системы, в которую, кроме живых организмов, входит и их неживое окружение, содержащее вещество и энергию, необходимые для жизни. Биоценоз не может существовать без вещественно-энергетических связей со средой. В итоге биоценоз представляет с ней некое единство.
Любую совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может поддерживаться круговорот вещества, называют экологической системой , или экосистемой .
Природные экосистемы могут быть разного объема и протяженности: небольшая лужа с ее обитателями, пруд, океан, луг, роща, тайга, степь - все это примеры разномасштабных экосистем. Любая экосистема включает живую часть - биоценоз и его физическое окружение. Более мелкие экосистемы входят в состав все более крупных, вплоть до общей экосистемы Земли. Общий биологический круговорот вещества на нашей планете также складывается из взаимодействия множества более частных круговоротов. Экосистема может обеспечить круговорот вещества только в том случае, если включает необходимые для этого четыре составные части: запасы биогенных элементов, продуценты, консументы и редуценты .
Продуценты - это зеленые растения, создающие из биогенных элементов органическое вещество, т. е. биологическую продукцию, используя потоки солнечной энергии.
Консументы - потребители этого органического вещества, перерабатывающие его в новые формы. В роли консументов выступают обычно животные. Различают консументы первого порядка - растительноядные виды (фитофагов) и второго порядка - плотоядных животных (зоофагов).
Редуценты
- организмы, окончательно разрушающие органические соединения до минеральных. Роль редуцентов выполняют в биоценозах в основном грибы и бактерии, а также другие мелкие организмы, перерабатывающие мертвые остатки растений и животных.
Разрушители мертвой древесины (жук бронзовка и его личинка; жук-олень и его личинка; большой дубовый усач и его личинка; бабочка древоточец пахучий и его гусеница; жук красный плоскотел; многоножка кивсяк; черный муравей; мокрица; дождевой червь)
Жизнь на Земле продолжается уже около 4 млрд лет, не прерываясь именно потому, что она протекает в системе биологических круговоротов вещества. Основу этого составляет фотосинтез растений и пищевые связи организмов в биоценозах. Однако биологический круговорот вещества требует постоянных затрат энергии. В отличие от химических элементов, многократно вовлекаемых в живые тела, энергия солнечных лучей, задержанная зелеными растениями, не может использоваться организмами бесконечно.
По первому закону термодинамики, энергия не исчезает бесследно, она сохраняется в окружающем нас мире, но переходит из одной формы в другую. По второму закону термодинамики, любые превращения энергии сопровождаются переходом части ее в такое состояние, когда она уже не может быть использована для работы. В клетках живых существ энергия, обеспечивающая химические реакции, при каждой реакции частично превращается в тепловую, а тепло рассеивается организмом в окружающем пространстве. Сложная работа клеток и органов сопровождается, таким образом, потерями энергии из организма. Каждый цикл круговорота веществ, зависящий от активности членов биоценоза, требует все новых поступлений энергии.
Таким образом, жизнь на нашей планете осуществляется как постоянный круговорот веществ, поддерживаемый потоком солнечной энергии. Жизнь организуется не только в биоценозы, но и в экосистемы, в которых осуществляется тесная связь между живыми и неживыми компонентами природы.
В лесах все растительноядные организмы (консументы первого порядка) в среднем используют около 10-12% ежегодного прироста растений. Остальное перерабатывается редуцентами после отмирания листвы и древесины. В степных экосистемах роль консументов сильно возрастает. Травоядные животные могут съедать до 70% общей надземной массы растений, не подрывая существенно скорости их возобновления. Значительная часть съеденного вещества возвращается в экосистему в виде экскрементов, которые активно разлагаются микроорганизмами и мелкими животными. Таким образом, деятельность консументов сильно ускоряет круговорот веществ в степях. Накопление мертвого растительного опада в экосистемах - показатель замедления скорости биологического круговорота.
Разнообразие экосистем на Земле связано как с разнообразием живых организмов, так и условий физической, географической среды. Тундровые, лесные, степные, пустынные или тропические сообщества имеют свои особенности биологических круговоротов и связей с окружающей средой. Водные экосистемы также чрезвычайно различны. Экосистемы отличаются по скорости биологических круговоротов и по общему количеству вовлекаемого в эти циклы вещества.
Моря представляют собой также гигантские сложные экосистемы. Несмотря на огромную глубину, они заселены жизнью до самого дна. В морях происходит постоянная циркуляция водных масс, возникают течения, у побережья действуют приливы и отливы.
Солнечный свет проникает лишь в поверхностные слои воды, ниже 200 м фотосинтез водорослей невозможен. Поэтому на глубинах живут лишь гетеротрофы - животные и бактерии. Таким образом, деятельность продуцентов и основной массы редуцентов и консументов сильно разобщена в пространстве. Мертвое органическое вещество в конце концов опускается на дно, но высвобождающиеся минеральные элементы возвращаются в верхние слои только в тех местах, где существуют сильные восходящие течения. В центральной части океанов размножение водорослей резко ограничивается недостатком биогенных элементов, и "урожайность" океана в этих районах такая же низкая, как в самых сухих пустынях.
Основной принцип устойчивости экосистем - круговорот вещества, поддерживаемый потоком энергии, - по сути дела обеспечивает бесконечное существование жизни на Земле.
По этому принципу могут быть организованы и устойчивые искусственные экосистемы, и производственные технологии, в которых сберегается вода или другие ресурсы. Нарушение согласованной деятельности организмов в биоценозах обычно влечет за собой серьезные изменения круговоротов вещества в экосистемах. Это главная причина таких экологических катастроф, как падение почвенного плодородия, снижение урожая растений, роста и продуктивности животных, постепенное разрушение природной среды.
Почва играет в наземных экосистемах прежде всего роль накопителя и резерва тех ресурсов, которые необходимы для жизни биоценоза. Экосистемы, которые не имеют почв, - водные, наскальные, на отмелях и отвалах - очень неустойчивы. Круговорот веществ в них легко прерывается и трудно возобновляется.
В почвах наиболее ценная часть - гумус - сложное вещество, которое образуется из мертвой органики в результате деятельности многочисленных организмов. Гумус обеспечивает долговременное и надежное питание растений, так как разлагается очень медленно и постепенно, освобождая биогенные элементы. Почвы с большим запасом гумуса отличаются высоким плодородием, а экосистемы - устойчивостью.
Неустойчивые экосистемы, в которых не сбалансирован круговорот вещества, легко наблюдать на примере зарастания прудов или мелких озер. В таких водоемах, особенно если в них смываются с окружающих полей удобрения, бурно развиваются и прибрежная растительность, и различные водоросли. Растения не успевают перерабатываться водными обитателями и, отмирая, образуют на дне слои торфа. Озеро мелеет и постепенно прекращает свое существование, превращаясь сначала в болото, а затем - в сырой луг. Если водоем небольшой, такие изменения могут протекать достаточно быстро, за несколько лет.