Лекция № 4. ЭНЕРГИЯ В ЭКОСИСТЕМАХ

1.

Красноярский государственный медицинский университет
им. проф. В.Ф. Войно-Ясенецкого
Кафедра Биологии и экологии
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ
Организованность Биосферы
Лекция № 4
для специальности 060609. – «Медицинская кибернетика»
(очная форма обучения)
Красноярск 2016

2.

План лекции
1.Организованность Биосферы.
2.Поток энергии в экосистемах
3.Миграция биогенных элементов.
4.Круговорот воды

3.

4. Энергетическая классификация экосистем

• Источник и качество доступной энергии в
значительной степени определяют видовой состав и
численность организмов, характер процессов,
протекающих в экосистемах, процессов её развития,
а также образ жизни человека.
• На основе используемой энергии выделяют четыре
типа экосистем:
1. Природные, движимые Солнцем,
несубсидируемые.
2. Природные, движимые Солнцем, субсидируемые
другими природными источниками.
3. Движимые Солнцем и субсидируемые человеком.
4. Индустриально-городские, движимые топливом.

5. Процессы, обеспечивающие функционирование экосистем:

1. Поток энергии через систему.
2. Круговорот веществ.
3. Биоценоз (трофические связи или
пищевые цепи)
4. Управляющие петли обратной связи

6.

1. Круговорот веществ и поток энергии
В любом биогеоценозе происходит круговорот веществ. Продуценты
извлекают из атмосферы углекислый газ, из почвы — воду и минеральные
соли, и, используя энергию солнечного света, образуют органическое
вещество. В дубраве, например, около 1% солнечной энергии преобразуется
в химические связи образованного органического вещества.

7.

1. Круговорот веществ и поток энергии
Образованное органическое
вещество растений за единицу
времени – валовая первичная
продукция.
При дыхании растений около
50% органического вещества
окисляется, остальные 50% прирост биомассы – чистая
первичная продукция.
Прирост за единицу времени
биомассы консументов
составляет вторичную
продукцию экосистемы.
Например, ежегодный прирост биомассы в хвойно-лиственном лесу (ЧПП)
составляет около 10 т/га, около 6 т — прирост надземных органов, 4 т
приходится на прирост подземных органов.

8.

1. Круговорот веществ и поток энергии
Затем химические элементы движутся по цепям питания. И вновь от звена
к звену часть органического вещества используется как источник энергии, а
часть — как строительный материал.
В каждом звене пищевой цепи при дыхании углекислый газ возвращается
в атмосферу, непереваренные остатки пищи и погибшие организмы
разлагаются с помощью редуцентов, которые завершают круговорот
химических элементов.

9.

1. Круговорот веществ и поток энергии
Пищевые цепи разделяют на два типа. Цепь выедания (пастбищная)
начинается с продуцентов, идет к консументам 1-го, 2-го и заканчивается
консументами 3-го порядка.

10.

1. Круговорот веществ и поток энергии
Цепь разложения (детритная) цепь начинается от растительных и
животных остатков, экскрементов животных и идет к мелким животным и
микроорганизмам (детритофагам), которые ими питаются.

11.

2. Экологическая пирамида биомассы
Когда растительность поедается
консументами, большая часть
съеденного органического
вещества растений окисляется и
служит источником энергии,
меньшая часть является
строительным материалом и идет
на прирост или восстановление
биомассы.
В 1942 г. Р.Линдеман
сформулировал закон пирамиды
энергии (или закон 10%).
Согласно этому закону с одного трофического уровня на другой переходит в
среднем 10% от поступившей на предыдущий уровень энергии. Остальная ее
часть теряется в виде теплового излучения, в результате энергетического
обмена.

12.

2. Экологическая пирамида биомассы
Если для простоты взять на
прирост биомассы 10% от
съеденной пищи, то медведь
массой 500 кг съел тюленей:
5 т, которым понадобилось рыбы:
50 т, рыба съела зоопланктона:
500 т, а в основании этой
экологической пирамиды будут
находиться съеденные
зоопланктоном:
5000 т фитопланктона.
Это правило экологической пирамиды биомассы — биомасса каждого
последующего уровня в пищевой цепи прогрессивно уменьшается — верно
для большинства экосистем.
А какова биомасса продуцентов, консументов 1 –го, 2-го и 3-го порядков в
морских экосистемах?

13.

2. Экологическая пирамида биомассы
Но в морских экосистемах биомасса каждого последующего уровня
увеличивается, наблюдается перевернутая пирамида биомассы.
Как это можно объяснить?

14.

2. Экологическая пирамида биомассы
Это связано с тем, что основным продуцентом является фитопланктон,
водоросли, преобладающие в нем живут недолго, большая часть их
выедается, но очень они очень быстро размножаются. Организмы каждого
последующего уровня живут дольше и накапливают большую биомассу.

15.

2. Экологическая пирамида биомассы
Различают пирамиду чисел, когда сравнивается число особей на каждом
пищевом уровне, пирамиду биомассы — если сравнивается биомасса каждого
уровня, пирамиду энергии — при сравнении количества энергии заключенной
в пище каждого уровня. Наглядно использование энергии консументами
можно выразить формулой:
ПИЩА = ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН + ПРИРОСТ БИОМАССЫ +
ЭКСКРЕМЕНТЫ

16.

2. Экологическая пирамида биомассы
Большая часть энергии, заключенной
в пище, выделяется в результате
энергетического обмена и
используется для поддержания всех
жизненных процессов, меньшая часть
используется для прироста биомассы
и часть энергии выводится из
организма вместе с неусвоенной
пищей, выделенной в виде
экскрементов.
Запас энергии, накопленный
зелеными растениями, стремительно
иссякает и вся энергия рассеивается
в форме тепла.
Поэтому пищевая цепь обычно
включает всего 4—5 звеньев.

17.

2. Экологическая пирамида биомассы
Таким образом, можно ли утверждать, что в любом биогеоценозе
происходит круговорот веществ и энергии?

18.

3. Продуктивность экосистем
За единицу времени растения в процессе фотосинтеза создают определенную
биомассу. Это валовая первичная продукция (ВПП).
Около 50% этой биомассы расходуется самими растениями в процессах
дыхания, 50% сохраняется в виде прироста биомассы. Эта часть и составляет
чистую первичную продукцию (ЧПП) экосистемы.

19.

3. Продуктивность экосистем
Прирост за единицу времени биомассы консументов составляет вторичную
продукцию экосистемы.
Биологическая продуктивность экосистемы — производительность
экосистемы, измеряемая за единицу времени на единицу площади. Самая
высокая продуктивность у коралловых рифов, тропических лесов,
заболоченных местностей.

20.

3. Продуктивность экосистем
Самая низкая продуктивность в тундре, горных степях, большей части
морских экосистем.

21.

Схема распределения потоков вещества и энергии среди
продуцентов и консументов (по Ю. Одуму, 1971)

22.

23.

• Поток энергии направлен в одну сторону.
• Часть энергии трансформируется, переходя в более
концентрированную (энергию химических связей
органических соединений).
• Часть энергии деградирует и покидает систему
(тепловой сток).
• Биогенные элементы могут
использоваться многократно (круговороты
химических элементов).

24.

• Основными энергетическими
характеристиками экосистемы являются
продуктивность и распад.
• Всего биосфера за год производит 1017 г
органического вещества (100 млрд тонн) и
около этого же количества вещества
распадается на воду и углекислый газ.

25.

• Продуктивность обеспечивается
фотосинтезом растений и бактерий (3 – 5%),
и хемосинтезом бактерий.
• Разложение происходит за счёт
абиотических процессов (пожары,
замораживание – оттаивание, течение
воды) и биотических (деятельность
бактерий, грибов, беспозвоночных, низших
позвоночных капрофагов и детритофагов)

26.

• При анализе продуктивности и потоков вещества и энергии
в экосистемах выделяют понятия биомасса и урожай на
корню.
• Под урожаем на корню понимается масса тел всех
организмов на единице площади суши или воды, а под
биомассой — масса этих же организмов в пересчёте на
энергию (например, в джоулях) или в пересчёте на сухое
органическое вещество (например, в тоннах на гектар).
• К биомассе относят тела организмов целиком, включая и
витализированные и омертвевшие части не только у
растений, к примеру, кора и ксилема, но и ногти и
ороговевшие части у животных.
• Часто зафиксированные в биомассе вещества являются
«мёртвым капиталом», особенно это выражено у
растений: вещества ксилемы могут сотнями лет не
поступать в круговорот, служа только опорой
растения

27.

• Под первичной продукцией сообщества (или
первичной биологической продукцией) понимается
образование биомассы (более точно — синтез
пластических веществ) продуцентами без
исключения энергии, затраченной на дыхание за
единицу времени на единицу площади (например, в
сутки на гектар).
• Первичную продукцию сообщества разделяют
на валовую первичную продукцию, то есть всю
продукцию фотосинтеза без затрат на дыхание,
и чистую первичную продукцию, являющуюся
разницей между валовой первичной продукцией и
затратами на дыхание.
• Иногда её ещё называют чистой
ассимиляцией или наблюдаемым фотосинтезом.

28.

• Чистая продуктивность сообщества —
скорость накопления органического
вещества, не потребляемого
гетеротрофами (а затем и редуцентами).
• Обычно вычисляется за вегетационный
период либо за год. Это часть продукции,
которая не может быть переработана самой
экосистемой.
• В более зрелых экосистемах значение
чистой продуктивности сообщества
стремится к нулю.

29.

• Вторичная продуктивность
сообщества — скорость накопления
энергии на уровне консументов.
• Вторичную продукцию не подразделяют на
валовую и чистую, так как консументы только
потребляют энергию, усвоенную
продуцентами, часть её не ассимилируется,
часть идёт на дыхание, а остаток идёт в
биомассу, поэтому более корректно
называть её вторичной ассимиляцией.

30. Энергетические соотношения в экосистемах

• Соотношения B/R (биомасса к дыханию)
и P/R (продуктивность к дыханию).
• Первое соотношение (B/R) показывает
необходимое количество энергии, затрачиваемой
на поддержание существующей биомассы.
• В случае, если сообщество находится в критических условиях,
данное соотношение уменьшается, так как необходимо
затратить больше энергии на поддержание той же биомассы.
• Обычно в таких ситуациях биомасса также уменьшается.
• Второе соотношение, величина (P/R), характеризует
эффективность затрачиваемой энергии (дыхания)
на производство биомассы (продуктивность).

31.

• Эффективность ассимиляции обычно
варьирует от 1-4 % для растений и до 20-60 %
для животных, для которых всё определяется
качеством пищи:
– травоядные обычно усваивают не более 10-15 %
поступившей энергии (но этот показатель может
достигать и 80 % при поедании семян и плодов).
– Хищники могут ассимилировать до 60-90 %.

32.

• Соотношение P/B (суммарная продуктивность
сообщества к его биомассе) является важной
характеристикой зрелости сообщества.
• Это соотношение обычно намного больше
единицы в молодых сообществах, но с
ростом числа видов и приближением к
климаксному сообществу этот коэффициент
стремится к единице.

33. Миграция элементов

• Это перемещения элементов в земной коре
и в пределах биогеоценозов.
• Миграция происходит как в процессах
круговорота веществ, так и вне их (при
почвообразовании, сезонные и суточные
миграции легкорастворимых солей).
• Большое значение имеет биогенная
миграция элементов (в том числе
микроэлементов).

34.

• Большой круговорот веществ в природе
(геологический)
• обусловлен взаимодействием солнечной
энергии с глубинной энергией Земли и
осуществляет перераспределение вещества
между биосферой и более глубокими
горизонтами Земли.

35.

Большой круговорот веществ

36. Большой круговорот веществ

• Осадочные горные породы, образованные за счет
выветривания магматических пород, в подвижных
зонах земной коры вновь погружаются в зону
высоких температур и давлений.
• Там они переплавляются и образуют магму —
источник новых магматических пород.
• После поднятия этих пород на земную поверхность
и действия процессов выветривания вновь
происходит трансформация их в новые осадочные
породы.
• Символом круговорота веществ является спираль,
а не круг.

37. Малый круговорот веществ в биосфере

• Малый круговорот веществ в биосфере
(биогеохимический) , в отличие от большого,
совершается лишь в пределах биосферы.
• Сущность его в образовании живого вещества из
неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в
превращении органического вещества при разложении
вновь в неорганические соединения.
• Этот круговорот для жизни биосферы — главный, и он
сам является порождением жизни.
• Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество
поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая
биогеохимический круговорот веществ.

38.

39.

• В ряде экосистем перенос вещества и
энергии осуществляется преимущественно
посредством трофических цепей.
• Такой круговорот обычно называют
биологическим.
• Он предполагает замкнутый цикл веществ,
многократно используемый трофической
цепью.

40.

• Химические элементы, в том числе все
основные элементы живых организмов,
обычно циркулируют в биосфере по
характерным путям из внешней среды в
организмы и опять во внешнюю среду.
• Эти в большей или меньшей степени
замкнутые В. И. Вернадский назвал
биогеохимическими циклами.

41.

Биогеохимический цикл (кольцо) на фоне упрощённой схемы потока энергии

42.

• Суть цикла в следующем: химические элементы,
поглощенные организмом, впоследствии его
покидают, уходя в абиотическую среду, затем,
через какое-то время, снова попадают в живой
организм, и т. д.
• Такие элементы называют биофильными.
• Этими циклами и круговоротом в целом
обеспечиваются важнейшие функции живого
вещества в биосфере.

43.  В. И. Вернадский выделяет пять таких функций:

В. И. Вернадский выделяет пять
таких функций:
1.
2.
3.
4.
5.
Газовая — основные газы атмосферы Земли, азот и кислород, биогенного
происхождения, как и все подземные газы — продукт разложения
отмершей органики;
Концентрационная — организмы накапливают в своих телах многие
химические элементы, среди которых на первом месте стоит углерод, среди
металлов — первый кальций, концентраторами кремния являются
диатомовые водоросли, йода — водоросли (ламинария), фосфора —
скелеты позвоночных животных;
Окислительно-восстановительная — организмы, обитающие в водоемах,
регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же
осаждения ряда металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S) с переменной
валентностью;
Биохимическая — размножение, рост и перемещение в пространстве
(«расползание») живого вещества;
Биогеохимическая деятельность человека — охватывает все
разрастающееся количество веществ земной коры, в том числе таких
концентраторов углерода, как уголь, нефть, газ и другие, для хозяйственных
и бытовых нужд человека.

44. В биогеохимических круговоротах следует различать две части

1) резервный фонд — это огромная масса движущихся
веществ, не связанных с организмами;
2) обменный фонд — значительно меньший, но
весьма активный, обусловленный прямым
обменом биогенным веществом между
организмами и их непосредственным окружением.
Если же рассматривать биосферу в целом, то в ней
можно выделить:
1) круговорот газообразных веществ с резервным
фондом в атмосфере и гидросфере (океан) и
2) осадочный цикл с резервным фондом в земной
коре (в геологическом круговороте).

45. Химические элементы в живых организмах

• Биогенные элементы
– Кислород — 65%, Углерод — 18%,
Водород — 10%, Азот — 3%
• Макроэлементы - содержание которых в
живых организмах составляет больше 0,01 %:
– Калий, Кальций, Магний, Натрий, Сера, Фосфор,
Хлор
• Микроэлементы - содержание менее 0,001 %:
– Бром, Йод, Кобальт, Марганец, Медь, Молибден,
Селен, Фтор, Хром, Цинк

46. Круговорот воды

• Постоянный обмен влагой между
гидросферой, атмосферой и земной
поверхностью, состоящий из процессов
испарения, передвижения водяного пара в
атмосфере, его конденсации в атмосфере,
выпадения осадков и стока.
• Атмосферные осадки частично испаряются,
частично образуют временные и постоянные
водостоки и водоемы, частично —
просачиваются в землю и образуют
подземные воды.

47.

48. Круговорот углерода

• Включение углерода в состав органического
вещества происходит в процессе фотосинтеза,
в результате которого на основе углекислого
газа и воды образуются сахара.
• В дальнейшем, другие процессы биосинтеза
преобразуют их в более сложные
органические вещества.
• Эти соединения формируют ткани
фотосинтезирующих организмов и служат
источником органических веществ для
животных.

49.

50. Круговорот углерода

• В процессе дыхания все организмы окисляют
сложные органические вещества в конечном
итоге до СО2, который выводится во внешнюю
среду, где может вновь вовлекаться в процесс
фотосинтеза.
• Углеродсодержащие органические соединения
тканей живых организмов после их смерти
подвергаются биологическому разрушению
редуцентами, в результате чего углерод в виде
Н2СО3 вновь поступает в круговорот.

51. Круговорот углерода

• При определенных условиях разложение
накапливаемых мертвых остатков в почве идет
замедленным темпом через образование гумуса,
минерализация которого под воздействием грибов
и бактерий происходит с низкой скоростью.
• В некоторых случаях цепь разложения
органического вещества бывает неполной. В
частности, деятельность организмов-деструкторов
может подавляться недостатком кислорода или
повышенной кислотностью. В этом случае
органические остатки накапливаются в виде торфа,
углерод не высвобождается и круговорот
приостанавливается.

52.

53. Круговорот углерода

• Аналогичным образом в прошлые геологические
эпохи происходило образование каменного угля и
нефти.
– Сжигание ископаемого топлива в настоящее время
возвращает углерод, выключенный ранее из круговорота, в
атмосферу.
• В гидросфере приостановка круговорота углерода
связана с включением СО2 в состав СаСО3 в виде
известняков.
– В этом случае углерод выключается из круговорота на целые
геологические эпохи до поднятия органогенных пород над
уровнем моря.
– Тогда круговорот возобновляется через выщелачивание
известняков атмосферными осадками, а также биогенным
путем под воздействием лишайников, корней растений

54.

Круговорот кислорода
Цикл кислорода занимает на Земле около 2000 лет, воды – около 2 млн лет.

55. Круговорот азота

• Большая часть биогеохимического цикла азота обусловлена
действием живых существ.
• Очень большую роль в круговороте играют почвенные
микроорганизмы, обеспечивающие азотистый обмен почвы —
круговорот в почве азота, который присутствует там в виде
простого вещества (газа — N2) и ионов: нитритов (NO2-), нитратов
(NO3-) и аммония (NH4+).
• Концентрации этих ионов отражают состояние почвенных
сообществ, поскольку на эти показатели влияет состояние биоты
(растений, микрофлоры), состояние атмосферы, вымывание из
почвы различных веществ.
– Они способны снижать концентрации азотсодержащих веществ,
губительные для других живых организмов.
– Они могут переводить токсичный для живых существ аммиак в менее
токсичные нитраты и в биологически инертный атмосферный азот.

56.

57.

58. Круговорот серы

• Сера представляет собой исключительно активный химический
элемент биосферы и мигрирует в разных валентных состояниях в
зависимости от окислительно- восстановительных условий среды.
• Среднее содержание серы в земной коре оценивается в 0,047 %. В
природе этот элемент образует свыше 420 минералов.
• В изверженных породах сера находится преимущественно в виде
сульфидных минералов: пирита, пирронита, халькопирита , в
осадочных породах содержится в глинах в виде гипсов, в ископаемых
углях - в виде примесей серного колчедана и реже в виде сульфатов.
• Сера в почве находится преимущественно в форме сульфатов; в нефти
встречаются ее органические соединения.
• В связи с окислением сульфидных минералов в процессе
выветривания сера в виде сульфатиона переносится природными
водами в Мировой океан. Сера поглощается морскими организмами,
которые богаче ее неорганическими соединениями, чем
пресноводные и наземные.

59.

60.

Круговорот серы

61.

Круговорот фосфора