Какие бывают экосистемы по источнику энергии

Типы круговоротов веществ в биосфере

На Земле различают два типа круговорота веществ: большой, или геологический, и малый, или биологический. Большой круговорот часто называют круговоротом воды.

Большим круговоротом, или геологическим, веществ называют обмен веществ между сушей и океаном, совершаемый водой. В настоящее время сухопутные части материков располагаются значительно выше океанов, поэтому океанические воды, выпавшие в виде осадков на сушу, быстро или медленно стекают в океан. Однако вода не просто стекает вниз, в океан, проходя сквозь толщу литосферы (педосферы), она свершает при этом большую работу: растворяет минералы, разрушает горные породы, переносит растворенные вещества и взвешенные частицы в океан. Таким путем в литосфере происходит постоянное разрушение и вынос веществ, а в океане идет их накопление в виде осадков (осадочных пород). Но земная кора находится в постоянном горизонтальном и вертикальном движении: благодаря движению материковых плит одни участки опускаются и заливаются водами морей и океанов, а другие поднимаются. В результате те вещества, что накопились в океане, оказываются на суше, а те, что образовывали поверхность континентов, — на дне моря. Спустя время (десятки и сотни тысяч лет) движение земной коры может пойти в обратном направлении и, следовательно, один цикл большого глобального круговорота будет завершен и начнется другой его цикл.

Малым, или биологическим, круговоротом веществ называют обмен химическими элементами (атомами) между живыми организмами и косными компонентами биосферы: атмосферой, гидросферой и литосферой.

Напомним, что биологический круговорот характеризуется структурой из четырех обязательных взаимосвязанных компонентов: 1) запаса химических веществ и энергии; 2) продуцентов; 3) консументов; 4) редуцентов.

Организмы вовлекают атомы биогенных веществ из косной части биосферы в свои тела, где они вступают в различные биохимические реакции, а затем выделяют их во внешнюю среду в виде продуктов жизнедеятельности или распада. В итоге все живое население биосферы и окружающая среда, откуда организмы черпают средства для жизни и куда выделяют продукты своей жизнедеятельности, создают целостное, тесно связанное, взаимодействующее единство — экосистему. Организованная взаимосвязью организмов в глобальную экосистему, жизнь на планете продолжается уже миллионы лет.

Изменения массы живого вещества, его структуры, химизма определяют изменение характера биологического круговорота. Восходящую часть образует взаимодействие растений с окружающей абиотической средой, итогом чего является создание первичной продукции, а нисходящую — все звенья экосистемы, обеспечивающие преобразование синтезированной продукции до неорганических веществ. Устойчивой оказывается та экосистема, в которой восходящий поток круговорота уравновешивается нисходящим потоком.

Геологический и биологический круговороты тесно взаимодействуют между собой, порой сливаясь воедино. Однако структурно и функционально они существенно отличатся друг от друга. Биологический круговорот отличается от геологического следующими особенностями:

1. причиной и движущей силой биологического круговорота является различие в характере питания продуцентов и редуцентов, а геологического — круговорот воды между океаном и сушей;
2. в биологическом круговороте участвуют только биогенные элементы, тогда как в геологическом — все химические элементы, находящиеся в земной коре;
3. продолжительность циклов химических элементов в биологическом круговороте кратковременна — год, несколько лет, десятки или сотни лет, а продолжительность цикла в геологическом круговороте равна десяткам и сотням тысяч лет.

Скорости круговорота некоторых биогенных элементов

Видовая и пространственная структуры экосистемы

При рассмотрении любых экосистем в горизонтальном и вертикальном направлении, можно отметить неоднородность расположения в них живых организмов.

Видовая структура экосистемы – это многообразие видов, их взаимодействие и соотношение численности. Различные сообщества, состоящие из разных видов, образуют видовое разнообразие экосистемы. Например, в степи на площади 100 м2 произрастают растения, принадлежащие к 100 разным видам.

Видовая структура экосистемы определяется также и соотношением численности особей разных видов в экосистеме. Например, в одном лесу могут обитать около 10 видов птиц по 100 особей каждого вида. В другом лесу то же количество видов включает неоднородное соотношение особей каждого вида: особи одних видов по численности могут превосходить другие виды, и наоборот. Виды, в популяции которых содержится наибольшее количество особей, называются доминантами

. Например, в степях доминантами являются ковыль и типчак, так как именно представители этих видов преобладают в экосистеме по численности. Доминанты определяют структуру экосистемы и, как правило, не имеют врагов, что дает им заметное преимущество к процветанию.

Эдификатор

— основной образователь среды. Обычно доминирующий вид является и эдификатором. Например, сосна в сосновом бору считается как доминантом, так и эдификатором. Во-первых, по биомассе сосна значительно превосходит остальные организмы данной экосистемы, а во-вторых, она создает условия для существования “соседей”, затеняя нижние ярусы, окисляя почву.

Пространственная структура экосистемы – это расположение популяций разных видов в экосистеме. Пространственная структура экосистемы бывает вертикальной и горизонтальной. Растительность определяет главным образом вертикальную структуру экосистемы. Совокупность растений одинаковой высоты формирует ярусы. Выделяют около пяти ярусов, образованных разными жизненными формами растений: древесный (верхний и нижний), кустарниковый, кустарниково-травяной, мхово-лишайниковый. Высокие деревья (сосна, ель, дуб, береза) составляют верхний (первый) ярус. Далее располагаются деревья пониже (рябина, осина, черемуха, яблоня), образующие второй ярус. Затем идут кустарники (шиповник, жимолость, крушина, ежевика), формирующие третий ярус. Мхи, низкорослые травы и лишайники создают самый нижний ярус.

Ярусное расположение растительности определяется, прежде всего, их неодинаковой потребностью в солнечном свете: верхний ярус занимают светолюбивые растения, под пологом которых прячутся теневыносливые.

Животные также могут занимать тот или иной растительный ярус, практически не покидая его.

Ярусность бывает не только надземная, но и подземная. Почвенную ярусность определяет характер залегания корневой системы различных растений. Корни наиболее высоких деревьев проникают на большую глубину, чем корни кустарников, ближе к поверхности располагаются корни мелких травянистых растений, а непосредственно на ней — мхи. При этом, в поверхностных слоях почвы корней значительно больше, чем в глубинных.

Горизонтальная структура экосистемы (мозаичность) – это неравномерное распределение популяций отдельных видов по площади. Мозаичность возникает вследствие неоднородности рельефа почвы, а также может быть результатом деятельности человека (например, кострища, выборочная рубка). Животные тоже оказывают влияние на горизонтальную структуру экосистемы (вытаптывание копытными травостоя, образование муравейников).

Горизонтальная структура экосистемы

Вертикальная структура экосистемы

Вертикальная и горизонтальная структуры экосистемы позволяют организмам наиболее эффективно использовать световой поток, минеральные вещества почвы и влагу.

Цикл веществ в биосфере

Процессы фотосинтеза органического вещества из неорганических компонентов занимают миллионы лет, и за это время химические элементы должны были переходить из одной формы в другую. Однако этого не происходит за счет их циркуляции по биосфере. Ежегодно фотосинтетические организмы поглощают около 350 миллиардов тонн углекислого газа, выбрасывают в атмосферу около 250 миллиардов тонн кислорода и разрушают 140 миллиардов тонн воды, производя более 230 миллиардов тонн органических веществ (в пересчете на сухой вес).

Огромное количество воды проходит через растения и водоросли в процессе транспортировки и испарения. В результате поверхностные воды океана фильтруются планктоном за 40 дней, а остальная часть океанской воды — примерно за год. Весь углекислый газ в атмосфере обновляется через несколько сотен лет, а кислород — через несколько тысяч лет. Ежегодно при фотосинтезе образуется 6 миллиардов тонн азота, 210 миллиардов тонн фосфора и большое количество других элементов (калий, натрий, кальций, магний, сера, железо и т.д.).

Существует два основных цикла: основной (геологический) и второстепенный (биотический).

Основной цикл, который охватывает миллионы лет, включает разрушение пород и перенос продуктов выветривания (включая водорастворимые питательные вещества) водяными течениями в океан, где они образуют морские слои и лишь частично возвращаются на сушу с выпадением осадков. Геотектонические изменения, процессы оседания континентов и поднятия морского дна, а также движение морей и океанов в течение длительного времени заставляют эти слои возвращаться на сушу и этот процесс начинается заново.

Небольшой цикл (часть большого цикла) происходит на уровне экосистемы и состоит из питательных веществ, воды и углерода, которые накапливаются в веществе растений и потребляются для строения организма и жизненных процессов как самих этих растений, так и других организмов (в основном животных), которые питаются (потребляют) этими растениями. Продукты разложения органического вещества разлагаются на минеральные компоненты под действием деструктивов и микроорганизмов (бактерий, грибков, червей), которые доступны растениям и участвуют в потоке веществ.

Циклирование химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом. Почти все химические элементы участвуют в таких циклах, но особенно те, которые участвуют в строительстве живой клетки. Например, человеческий организм состоит из кислорода (62,8%), углерода (19,37%), водорода (9,31%), азота (5,14%), кальция (1,38%), фосфора (0,64%) и около 30 других элементов.

Самовоспроизводимость

Если хорошо подумать над вопросом о том, каково основное свойство экосистем, то можно прийти к выводу, что и самовоспроизводимость не менее важное условие их существования. Ведь без постоянного воспроизведения таких компонентов, как:

• организмы;
• почвенный состав;
• прозрачность воды;
• кислородный компонент воздуха и прочее.

Сложно говорить об устойчивости и саморегуляции

Для того же, чтобы биомасса постоянно возрождалась и численность поддерживалась, важно наличие достаточного количества еды, воды, а также благоприятные условия жизни. Внутри любой экосистемы происходит постоянная замена старых особей на молодых, больных на здоровых, сильных и выносливых

Это нормальное условие существования любой из них. Это возможно только при условии своевременной самовоспроизводимости.

Проявление свойств экосистемы подобного рода — это залог генетического сохранения аллелей каждого вида. Иначе целые роды и типы, классы и семейства живых существ подвергались бы исчезновению без последующего восстановления.

Возникновение круговоротов

Активность живого вещества и энергетические потоки Солнца выступают движущими силами этого процесса. Они перераспределяют, концентрируют и перемещают огромное количество жизненно необходимых веществ между растениями, их корневыми системами и всеми существами на планете.
Возникает циклический оборот энергии потому, что действует закон ее сохранения. Она не исчезает бесследно, а расходуется для жизни биосферы Земли, переходя из одного состояния в другое.
Рис. 2. Круговорот азота в природеВсе химические составляющие окружающей среды проходят многократно приблизительно такой путь:

• Переходят в виде пищи от организма к организму;
• Выделяются в окружающий мир;
• Снова приобщаются автотрофами в процессы жизнедеятельности организмов.

Появляется круговорот, и так вещества движутся многократно. Все биологические процессы напоминают беспрерывное циклическое вращение лопастей ветряной мельницы, где лопасти — это круговорот веществ, а ветер — поток энергии, который проходит через всю экосистему.

Редуценты

Грибы, растущие на отмершей древесине — пример редуцентов

Редуценты — это последнее звено в простой пищевой цепи. Их также называют деструкторы или сапротрофы. К ним относятся микроорганизмы и грибы, которые разрушают органический материал, перерабатывая его в неорганические и простейшие органические соединения. Если животное умирает, то его тело съедают редуценты. Они избавляются от всего, что больше не является живым, расщепляя органику на простые питательные вещества и возвращают их в почву. Затем эти вещества используются продуцентами, и цикл начинается снова. Примером редуцентов в африканской саванне служат бактерии и грибы, разлагающие останки мертвых животных и растений.

Экологические пирамиды

Трофическую структуру можно изобразить графически, в виде так называемых экологических пирамид.

Основанием пирамиды служит уровень продуцентов, а последующие уровни питания образуют этажи и вершину пирамиды.

Известны три основных типа экологических пирамид:

— пирамида чисел, отражающая численность организмов на каждом уровне (пирамида Элтона);

— пирамида биомассы, характеризующая массу живого вещества;

— пирамида энергии, имеющая универсальный характер, показывающая изменение первичной продукции (или энергии) на последовательных трофических уровнях.

Пирамида чисел отображает отчетливую закономерность, обнаруженную Элтоном: количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается (рис.).

Рис. 5. Упрощенная схема пирамиды Элтона

Консументы

Лев в африканской саванне — пример консументов второго порядка

Консументы — не производят питательные вещества самостоятельно. Они должны употреблять в пищу других животных или растения, чтобы получить энергию для поддержания жизнедеятельности. Консументы относятся гетеротрофами (организмы, которые не способны на синтез органических веществ из неорганических путём фотосинтеза или хемосинтеза. Выделяют первичные (первого порядка) и вторичные (второго порядка) консументы. Первичные консументы являются следующим звеном в простой пищевой цепи. Это растительноядные, или травоядные животные. Они не едят других животных. В дополнение к антилопе, упомянутой ранее, к консументам первого порядка в африканской саванне также относятся слоны, буйволы, жирафы, зебры и др. животные.

В простой пищевой цепи вторичные консументы следуют сразу же за первичными. К ним относятся плотоядные или всеядные животные. Консументы второго порядка едят консументов первого порядка. Плотоядные животные питаются только мясом, в то время как всеядные употребляют и мясо, и растения. В дополнение к гепарду, к вторичным консументам в африканской саванне принадлежат львы и леопарды, которые охотятся на зебр, антилоп и др. травоядных животных.

Продуценты

Луговая трава, получающая энергию для роста в процессе фотосинтеза является типичным примером продуцентов

Продуценты — это организмы, которые сами производят себе еду. Им не нужно брать питательные вещества у других организмов. Они получают свою энергию от солнца и производят из нее органические вещества посредством фотосинтеза. Продуценты относятся к автотрофам (организмы, которые синтезируют органические вещества из неорганических). Большинство продуцентов — это растения, но есть и микроорганизмы, которые производят питательные вещества с помощью фотосинтеза или хемосинтеза. Продуценты являются начальным звеном любой простой пищевой цепи. Если в качестве примера рассматривать экосистему африканской саванны, то к продуцентам относятся все растения, произрастающие в ней.

Структура природного цикла

Вся жизнь на планете подчиняется законам одного глобального круговорота, который можно разделить на две основные составляющие. Они отличаются структурами и характером протекающих в них процессах. Различают такие основные циклы:

• Большой либо геологический
• Малый либо биологический

Геологический

Этот вид еще зовется круговоротом воды в природе, где жидкость постоянно циркулирует между сушей и океаном.Это — сложный геологический процесс и основными его элементами являются:

• Испарение влаги;
• Ее передвижение с воздушными потоками в состоянии пара;
• Формирование облаков;
• Осадки;
• Подземный и поверхностный сток воды в Мировой океан.

Все звенья круговорота имеют однотипный характер, за исключением осадков. Выпадая, они распределяются по трем категориям:

По поверхности земной коры. Сток наполняет материковые водоемы, чьи воды стекаются в океаны. Эта вода содержит в себе растворенные химические элементы, частички почвы и гумуса.

• Оседает в верхних слоях земной коры. Вода впитывается и сохраняется на некоторое время в почвах для питания растений. Спустя время, переработанная в процессе фотосинтеза, она переходит в атмосферу в парообразном состоянии.
• Проникает в более глубокие слои коры и образует подземные воды. Попадая в глубины Земли и заполняя ее трещины, вода вымывает растворенные минеральные вещества и доставляет их в океан.

Рис. 3. Круговорот водорода в природеМатерики на данный момент находятся значительно выше уровня моря, потому рано или поздно вся влага с территории суши попадает в его воды. При этом, в литосфере Земли происходит преображение и вынос веществ, которые, оседая в океане, наполняют его осадочными породами.Совершая полный цикл, вода проделывает определенную работу по пути:

• Разрушает твердые породы;
• Растворяет минеральные вещества;
• Доставляет видоизмененные частички в океан.

Кора Земли пребывает в постоянном движении. Одни участки материковых плит, опускаясь, заливаются водами океанов. Другие — поднимаются, и те вещества, что образовались и накопились в водоемах за долгие годы, оказываются на поверхности. Есть предположение, что через сотни тысяч лет кора двинется в обратном направлении. Это будет свидетельством того, что большой геологический цикл завершен и начался новый.

Малый

Он представляет собой обмен полезными веществами в пределах всей биосферы Земли с компонентами веществ из литосферы, атмосферы и гидросферы.Этот цикл вмещает в себя такие составляющие:

• Продуценты
• Консументы
• Запас энергии и полезных веществ
• Редуценты

Продуценты преобразуют простые неорганические вещества в сложные органические соединения. Консументы модифицируют более сложные вещества. Редуценты выделяют химические элементы, которые образуют сложную органику и освобожденные ею вещества опять включаются в оборот.
Рис. 4. Круговорот углерода в природеБиологический круговорот — это циркуляция химических элементов и полезных веществ между живыми организмами и неживой природой. Весь процесс можно разделить на такие составляющие:

• Все организмы вбирают в себя атомы биогенных веществ из гидросферы, литосферы и атмосферы;
• В телах организмов проходят химические реакции с участием этих веществ;
• После переработки микроэлементы выделяются в виде продуктов распада в окружающую среду;
• Окружающий мир и все живые организмы планеты, черпая из него питательные вещества и выделяя их обратно в виде продуктов жизнедеятельности, создают общую экосистему.

На устойчивость экосистемы влияет и круговорот нисходящего и восходящего потоков, где:

• Восходящий поток образуется, благодаря взаимодействию окружающей среды с растениями. На этом этапе создается первичный продукт.
• Нисходящий поток генерируется всеми уровнями экосистемы, которые преобразуют синтезированную продукцию в неорганические вещества.

Таким образом, каждая живая субстанция поддерживает жизнь на Земле, создавая круговорот.
Рис. 5. Круговорот веществ в природе

Уровни экосистемы

Уровни экосистемы

Для экосистем характерны следующие уровни:

1. Особь (любое живое существо).
2. Популяция (группа существ определенного вида на определенной территории).
3. Сообщество (совокупность всех существ на местности).
4. Экосистема (совокупность природных факторов).
5. Биосфера (совокупность каждой экосистемы планеты).

Особь

Особь — это любое живое существо или организм. Особи не размножаются с индивидуумами из других групп. Животные, в отличие от растений, как правило, относятся к этому понятию, поскольку некоторые представители флоры могут скрещиваться с другими видами.

В приведенной выше схеме, можно заметить, что золотая рыбка взаимодействует с окружающей средой и будет размножаться исключительно с представителями своего вида.

Популяция

Популяция — группа особей данного вида, которые живут в определенной географической области в данный момент времени. (Примером может служить золотая рыбка и представители ее вида)

Обратите внимание, что популяция включает особей одного вида, которые могут иметь различные генетические отличия, такие как цвет шерсти/глаз/кожи и размер тела

Сообщество

Сообщество включает в себя всех живых организмов на определенной территории, в данный момент времени. В нем могут присутствовать популяции живых организмов разных видов

В приведенной выше схеме, обратите внимание, как золотые рыбы, лососёвые, крабы и медузы сосуществуют в определенной среде. Большое сообщество, как правило, включает в себя биоразнообразие

Экосистема

Экосистема включает в себя сообщества живых организмов, взаимодействующих с окружающей средой. На этом уровне живые организмы зависят от других абиотических факторов, таких как камни, вода, воздух и температура.

Биом

Простыми словами, биом представляет собой совокупность экосистем, имеющих схожие характеристики с их абиотическими факторами, адаптированными к окружающей среде.

Биосфера

Когда мы рассматриваем различные биомы, каждый из которых переходит в другой, формируется огромное сообщество людей, животных и растений, живущих в определенных местах обитания. Биосфера является совокупностью всех экосистем, представленных на Земле.