Биогеохимические круговороты

Экосистемы состоят из биотического и абиотического (живого и неживого) компонента. Биотический компонент экосистемы представляет собой сообщество. Сообщество – любая совокупность популяций разных видов, сосуществующих на одной территории. Могут быть сообщества микроорганизмов, растительные, животные, смешанные сообщества. Самые крупные смешанные сообщества суши, характеризующиеся определенным составом растительного покрова и специфическими погодными условиями, называют биомами (влажный тропический лес). Сообщества помельче, входящие в состав биомов, не имеющие собственных климатических характеристик и включающие в себя достаточно однородную растительность, называют биоценозами (биоценоз ельника-зеленомошника, биоценоз верхового болота).

Структура биоценоза. Биоценоз включает в себя три основные компонента – продуцентов, консументов и редуцентов. Продуценты – как правило, хлорофиллоносные организмы, питающиеся неорганическими веществами и углекислым газом. Они производят первичную органическую продукцию в процессе фотосинтеза и используют эти органические вещества как источник энергии и питательных веществ. Продуценты, не имеющие хлорофилла, – хемосинтезирующие бактерии. Консументы первого порядка – организмы, получающие питательные вещества и энергию в виде органических веществ, питаясь продуцентами (растительноядные животные). Консументы второго порядка – организмы, получающие питательные вещества и энергию, питаясь травоядными (плотоядные). Среди консументов можно назвать также паразитов и эврифагов (всеядных), к примеру, крыс, тараканов, многих ракообразных. Третий структурный компонент биоценоза – редуценты. К ним относятся представители двух царств организмов – грибов и бактерий. Редуценты, поселяясь на мертвой органике и используя органические вещества в качестве источника питательных веществ и энергии, превращают их, в итоге, в неорганические. Эти неорганические соединения используются в пищу фото- и хемосинтезирующими продуцентами. Абиотический компонент экосистемы включает различные физические и химические факторы: солнечный свет, тень, характер ландшафта, ветер, температура, водные течения, питательные элементы в земной коре (в первую очередь, в почве), гидросфере и атмосфере. Взаимодействующие между собой абиотический компонент и биоценоз (в качестве биотического компонента) составляют устойчивую самоподдерживающуюся и саморегулирующуюся экосистему – биогеоценоз. В биогеоценозе биотический и абиотический компоненты обмениваются между собой потоком вещества и энергии. В соответствии с первым и вторым законами термодинамики биоценоз – система открытая, так как извне она получает лучистую энергию солнца, а излучает, в основном, инфракрасный свет – тепло. В соответствии с законом сохранения вещества в рамках биогеоценоза осуществляется полный круговорот веществ. Так что, если не учитывать то ничтожное количество вещества, которое покидает землю и попадает на нее из вселенной, то можно сказать, что общее количество атомов на нашей планете есть величина постоянная.

Большинство атомов различных элементов на Земле находятся в таком состоянии, что не могут напрямую быть использованы организмами. Но атомы и их соединения пребывают в постоянном круговороте и способны преобразовываться в необходимые для поглощения структуры. Такой переход питательных элементов от неживой природы к живым организмам (от абиотического к биотическому компоненту) и обратно происходит в биогеохимических круговоротах (циклах).

Круговорот азота. Большинству растений азот требуется в виде нитрат-ионов и ионов аммония. Газообразный азот большинством организмов не может быть использован непосредственно, но он может преобразоваться в растворимые в воде вещества, содержащие вышеназванные ионы. В этом состоянии азот может усваиваться корнями растений (фиксация азота). Она осуществляется азотофиксирующими бактериями, обитающими в корневых системах. Неорганические нитрат-ионы и ионы аммония, поглощаемые растениями из почвенной влаги, преобразуются в составные элементы белков, нуклеиновых кислот и других азотосодержащих соединений клетки. Редуценты превращают эти соединения в аммиак и растворимые в воде соли, содержащие ионы аммония. Другая специальная группа бактерий преобразует эти неорганические формы азота в нитрат-ионы в почве и в газообразный азот, поступающий в атмосферу.

Вмешательство человека в круговорот азота состоит в следующем. Сжигание древесины или ископаемого топлива, при котором в атмосферу выбрасываются большие количества оксида азота (NО). Воздействие некоторых бактерий на удобрения и отходы животноводства приводит к выделению в атмосферу «парниковою» газа – закиси азота (N₂О). Вынос из почвы нитрат-ионов и ионов аммония при сборе урожая сельскохозяйственных культур с высоким содержанием азота. Увеличение количества нитрат-ионов и ионов аммония в водных экосистемах при попадании в них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей азотных удобрений, а также очищенных и неочищенных коммунально-бытовых канализационных стоков.

Круговорот фосфора. Растения и животные получают фосфор в виде фосфат-ионов, растворенных в воде. Фосфор входит в состав нуклеино­вых кислот, АТФ, липидов, соединений, входящих в состав костей и зубов животных и многих других, необходимых организмам веществ. Фосфор высвобождается при медленном разрушении фосфатных руд, растворяется почвенной влагой и поглощается корнями растений. Животные получают необходимый им фосфор, поедая растения или растительноядных животных. Значительная часть этого фосфора в виде экскрементов животных и продуктов жизнедеятельности продуцентов возвращается в почву, в реки и, в конце концов, на дно океана в виде нерастворимых осадочных пород. Участки океанического дна могут подниматься и осушаться. Возникающее выветривание приводит к высвобождению новых количеств фосфора и продолжению круговорота.

Вмешательство человека в круговорот фосфора сводится в основном к двум вариантам. Добыча больших количеств фосфатных руд для производства минеральных удобрений и моющих средств. Увеличение избытка фосфат-ионов в водных экосистемах при попадании в них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей фосфатных удобрений, а также очищенных и неочищенных коммунально-бытовых канализационных стоков.

Круговорот серы. Из природных источников сера попадает в атмосферу в виде: сероводорода (при извержении вулканов, деятельности редуцентов и других микроорганизмов), диоксида серы (при извержении вулканов), частиц сульфатных солей (из мельчайших брызг океанической воды). В атмосфере диоксид серы окисляется до триоксида серы, он, растворяясь в мельчайших каплях воды, превращается в серную кислоту. Взаимодействуя с другими компонентами, триоксид серы образует частицы сульфатных солей. Неорганические соединения серы попадают в почву, оттуда в растворенном виде их получают растения, используя серу для построения аминокислот и некоторых других веществ. Животные получают серу, поедая растения и других животных. Деятельность редуцентов замыкает цикл. Кроме того, свободная сера может накапливаться в результате фотосинтетической деятельности некоторых бактерий. Она быстро окисляется и в виде оксидов идет по обычному пути круговорота серы.

Около трети всех соединений серы, попадающих в атмосферу, имеет антропогенное происхождение.

Круговорот воды. Важнейшими этапами этого процесса являются: испарение – превращение воды в водяной пар, конденсация – превращение водяного пара в капли жидкой воды, осадки (дождь, град, снег) и сток воды назад в море для возобновления цикла.

Абиотический компонент биогеоценоза включает различные физические и химические факторы: солнечный свет, тень, характер ландшафта, ветер, температура, водные течения, питательные элементы в земной коре (в первую очередь, в почве), гидросфере и атмосфере.

Биотический и абиотический компоненты биогеоценоза обмениваются между собой энергетическими потоками в полном соответствии с первым (количество тепла, сообщенное системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совершение системой работы над внешними телами) и вторым (теплота сама собой переходит лишь от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой и не может самопроизвольно переходить в обратном направлении) законами термодинамики. От живого к неживому идет тепло, а в противоположном направлении – солнечный свет. Но этот обмен не является круговоротом. Путь превращения энергии, если можно так выразиться, направлен в одну сторону – от высококачественной лучистой энергии солнца к низкотемпературному тепловому излучению.

Пищевая цепь – последовательность групп организмов, каждая из которых служит пищей или объектом разложения для последующей. Пищевая цепь – путь однонаправленного потока высокоэффективной солнечной энергии через живых организмов экосистемы в окружающую среду в виде низкоэффективной тепловой энергии. Все организмы, пользующиеся одним типом пищи, принадлежат к одному трофическому уровню: Можно выделить три вида пищевых, цепей. Пастбищная (продуцент – хищник). Трава – кузнечик – лягушка – форель – цапля. Детритная (органические остатки – микроорганизм). Листовая подстилка – дождевой червь –черный дрозд – ястреб перепелятник. Паразитарная(резервуар – возбудитель). Млекопитающее – кровососущее насекомое – бактерия – бактериофаг. Реальные пищевые связи в экосистемах гораздо сложнее, так как животное может питаться организмами разных видов из одной той же пищевой цепи или даже из разных. В действительности пищевые цепи переплетаются таким образом, что образуется пищевая сеть.

Биомассой называют сухой вес всех органических веществ, содержащихся в организмах экосистемы.

Экологические пирамиды – графическое изображение соотношения между продуцентами, консументами и редуцентами в экосистеме, выражающееся в различных единицах (массы, численности, количестве энергии)- В пирамидах биомасс наземных экосистем суммарная биомасса каждого последующего трофического уровня пищевой сети уменьшается. В водных экосистемах такая пирамида может выглядеть перевернутой с биомассой консументов, преобладающей над биомассой продуцентов. Пирамида численности для луга и многих других экосистем сужается при переходе от продуцентов к более высоким трофическим уровням. Но для леса умеренного пояса с небольшим количеством крупных деревьев пирамида может иметь расширяющиеся снизу вверх участки. Только пирамиды, энергетических потоков и расхода энергии всегда будут сужаться от основания к вершине, так как потери энергии на каждом трофическом уровне будут иметь место всегда.

Чистая первичная продуктивность экосистемы – скорость, с которой растения экосистемы производят полезную химическую энергию или биомассу. Другими словами, чистая первичная продуктивность равна: скорость, с которой растения производят химическую энергию в процессе фотосинтеза, минус скорость, с которой растения расходуют химическую энергию в процессе дыхания. Чистая первичная продуктивность обычно рассчитывается как количество энергии, созданной растениями на единице площади за единицу времени. Принятыми единицами измерения являются килокалории или килоджоули на квадратный метр территории в год.

Экологическая катастрофа – крупномасштабное, как правило, необратимое нарушение экосистем в результате действия природных или технических факторов.Экологические кризисы и катастрофы явились причиной упадка и гибели не только древних земледельческих цивилизаций, но и крупных современных регионов. Примеры крупных экологических и разномасштабных катастроф в наше время – гибель экосистемы Аральского моря, чернобыльская катастрофа.

Экологическая сукцессия – процесс постепенного изменения состава структуры и функции экосистем под влиянием внешних или внутренних факторов. В настоящее время процессы сукцессии в экологических системах в результате деятельности предприятий нефтепереработки активно исследуются.

Загрязнением окружающей среды называется внесение в среду несвойственных ей химических, физических и биологических агентов. В более широком смысле под загрязнением понимают неблагоприятное изменение окружающей среды, которое целиком или частично является результатом деятельности человека, прямо или косвенно влияет на распределение поступающей энергии, уровни радиации, физико-химические свойства природной среды и условия существования живых организмов. В общем случае, под загрязнителями понимают побочные продукты жизнедеятельности человека и как биологического вида, и как социального творческого существа. Для оценки и прогнозирования степени загрязнения используют экологический мониторинг.

Мониторинг –система наблюдений, измерений, оценки и прогноза состояния окружающей среды в соответствии с заранее подготовленной научно обоснованной программой.

Ритмические изменения в природной среде и энергетической динамике обменных процессов, называется биоритмами.

Несовпадение внутренних ритмов человека с ритмами окружающей среды может стать причиной болезненных явлений (бессонница, потеря работоспособности и т.д.)

Центральное место среди всех ритмических процессов занимают суточные ритмы, имеющие наибольшее значение для организма. Реакция организма на любое воздействие зависит от фазы суточного ритма (т.е. от времени суток).

Климат также оказывает серьезное воздействие на самочувствие человека. Влияя на него через погодные условия. Погодные условия включают в себя комплекс физических и химических факторов: атмосферное давление, влажность, движение воздуха, концентрацию кислорода, степень возмущенности магнитного поля Земли, уровень загрязнения атмосферы.

Фактор повышенной опасности – это опасность травмы, заболеваний, экономического ущерба или ухудшения качества окружающей среды. Большинство факторов повышенной опасности являются результатом воздействия различных элементов окружающей среды.

Физические факторы повышенной опасности: ионизирующие излучения, шум, землетрясения, ураганы, торнадо, пожары, наводнения и засухи.

Химические факторы повышенной опасности: вредные химические вещества в воздухе, воде и продуктах питания.

Биологические факторы повышенной опасности: болезнетворные бактерии и вирусы, пыльца растений, паразиты и нападения голодных или злобных животных.

Факторы повышенной опасности как следствие культурной деятельности человека: условия труда и быта, курение, питание, наркотики, злоупотребление алкоголем, вождение автомобиля, криминальные нападения, небезопасные занятия сексом и нищета.

Дата добавления: 2014-05-17; просмотров: 606; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!