Кодекс и Законы Закономерность переноса энергии в экосистеме
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-29Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
РОССИЙСКАЯ МЕЖДУНАРОДНАЯ АКАДЕМИЯ ТУРИЗМА
КУРСОВАЯ РАБОТА
По дисциплине: Экология
На тему: «Закономерность переноса энергии в экосистеме»
Студентки 1 курса 0901 МГ группы
Глуховой Ирины Игоревны
Руководитель: Эйтингон Александр Исаакович
Москва 2010
РЕФЕРАТ
Курсовая работа представлена в объеме 25 страниц печатного текста. Для написания курсовой работы по теме: «Закономерность переноса энергии в экосистеме» были использованы книги по экологии, энциклопедии, и интернет ресурсы, а также различные средства СМИ.
В курсовой работе выделяются две главы: теоретические аспекты и понятия и перенос энергии в экосистеме. В работе по данной проблематике раскрывается понятия и особенности экологического потока энергии в экологической системе.
Знание законов продуктивности экосистем, возможность количественного учета потока энергии имеют важное практическое значение, поскольку продукция природных и искусственных сообществ (агроиенозов) является основным источником запасов пищи для человечества. Точные расчеты потока энергии и масштабов продуктивности экосистем позволяют регулировать в них круговорот веществ таким образом, чтобы добиваться наибольшего выхода необходимой для человека продукции.
Данные знания также можно использовать при обучении на факультетах экологии и природопользования.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ. 3
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ И ПОНЯТИЯ.. 3
1.1. Экологическая система. 3
1.2. Виды энергии. 3
1.3. Экологические пирамиды. 3
1.4. Законы термодинамики. 3
1.5. Энергетический бюджет. 3
ГЛАВА 2. ПЕРЕНОС ЭНЕРГИИ В ЭКОСИСТЕМЕ. 3
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 3
ВВЕДЕНИЕ
Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот вещества в экосистемах, т. е. существование экосистем, зависит от постоянного притока энергии, необходимой всем организмам для их жизнедеятельности и самовоспроизведения.
Одна из причин пристального внимания к энергетике экосистем состоит в том, что эта область экологии очень тесно связана с получением людьми пиши и топлива. Она позволяет анализировать эффективность сельскохозяйственных систем и предлагать пути их совершенствования.
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ И ПОНЯТИЯ
1.1. Экологическая система.
Экологическая система – основная функциональная единица экологии, включающая в себя живые организмы (биоценоз) и среду обитания (экотоп), причем каждая из этих частей влияет на другую и обе необходимы для поддержания жизни.
Экосистемы представляют собой основные природные единицы на поверхности Земли. Это не только комплекс живых организмов, но и все сочетания физических факторов. Всюду, где можно наблюдать отчетливое единство растений и животных, объединенных отдельным участком окружающей среды, говорят об экологической системе.
Понятие экосистемы не ограничивается какими-то признаками ранга, размера, сложности и происхождения. Поэтому оно применимо как к относительно простым искусственным (аквариум, теплица, пшеничное поле), так и к сложным естественным комплексам организмов и среды их обитания (озеро, лес, океан).
В состав экосистемы входят неживые и живые компоненты.
Неживые (абиотические) компоненты:
1) неорганические вещества (N2, C02, Н2О и др.), включающиеся в природные круговороты;
2)органические соединения (углеводы, белки, аминокислоты, гумусовые вещества и др.), связывающие биотическую и абиотическую части экосистем;
3)климатический режим (освещенность, температура, влажность и другие физические факторы).
Живые (биотические) компоненты экосистем:
1) продуценты – автотрофные (самостоятельно питающиеся) организмы, главным образом, зеленые растения, которые создают органические вещества из простых неорганических веществ. Автотрофы составляют основную массу всех живых существ и полностью отвечают за образование всего нового органического вещества в любой экосистеме, т.е. являются производителями продукции,
2)макроконсументы (консументы 1, 2 и т.д. порядка) – гетеротрофные (питающиеся другими) организмы, главным образом, животные, которые поедают растения и другие организмы. В отличие от автотрофов продуцентов, гетеротрофы выступают как потребители и разрушители органических веществ,
3)микроконсументы (редуценты) – гетеротрофные организмы, преимущественно бактерии и грибы, которые разрушают сложные соединения мертвой протоплазмы, поглощают некоторые продукты разложения и высвобождают неорганические питательные вещества, пригодные для использования продуцентами.
1.2. Виды энергии.
В переводе с греческого "энергия" означает действие, деятельность. В философии под энергией принято понимать общую меру различных форм движения материи, способность производить работу. В научной литературе под энергией предлагают понимать свойство, способность движущейся материи производить полезную работу, создавать необходимые условия для предпринимательской и любой иной деятельности. Энергия выражается в различных формах: механическая, тепловая, электромагнитная, ядерная и др. Энергоснабжение осуществляется посредством использования различных носителей энергии - энергетических ресурсов. Энергетические ресурсы возможно классифицировать по различным основаниям. Так, в зависимости от возможности возобновления, энергетические ресурсы подразделяются на возобновляемые (энергия солнца, ветра, тепла земли, естественного движения водных потоков) и невозобновляемые (нефть, газ, уголь). Энергетические ресурсы можно подразделить на первичные или вторичные. Помимо термина "энергетические ресурсы", в законодательстве используется термин "топливо". Под топливом традиционно понимались горючие вещества, применяемые с целью получения при их сжигании тепловой энергии.
1. Ветер – один из нетрадиционных источников энергии. Ветер рассматривается специалистами как один из наиболее перспективных источников энергии, способный заменить не только традиционные источники, но и ядерную энергетику.
Выработка электроэнергии с помощью ветра имеет ряд преимуществ:
Экологически чистое производство без вредных отходов;
Экономия дефицитного дорогостоящего топлива (традиционного и для атомных станций);
Доступность;
Практическая неисчерпаемость.
В ближайшем будущем ветер будет скорее дополнительным, а не альтернативным источником энергии.
2. Солнечные электростанции. После энергетического кризиса
Основными технологическими решениями по использованию энергии являются: превращение солнечной энергии в электрическую и получение тепловой энергии для целей теплоснабжения зданий.
Прямое использование солнечной энергии в условиях, для выработки в настоящее время электроэнергии, требует больших капитальных вложений и дополнительных научно-технических проработок.
3. Перспективность применения фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии обусловлено его максимальной экологической чистотой преобразования, значительным сроком службы фотоэлементов и малыми затратами на их обслуживание. При этом простота обслуживания, небольшая масса, высокая надежность и стабильность фотоэлектропреобразователей делает их привлекательными для широкого использования.
4. За прошедшие 15 лет производство электроэнергии на геотермальных электростанциях (ГеоТэс) в мире значительно выросло. Работы по изучению геотермальных источников и созданию прогрессивных систем для извлечения и практического использования геотермальной энергии ведутся в Украине и многих зарубежных странах.
Разработка и освоение интенсивных технологий извлечения теплоносителя и создания эффективных систем использования теплоты недр является главной научной и инженерно-технической проблемой энергетики. Без создания таких технологий и установок нельзя рассчитывать на широкомасштабное использование этого энергоисточника.
5. Большие возможности в собственном энергообеспечении сельскохозяйственных предприятий и экономии ТЭР заложены в использовании энергии отходов сельхозпроизводства и растительной биомассы. В сельскохозяйственном производстве в качестве источников тепла можно принять любые растительные отходы, непригодные для использования по прямому назначению или не нашедшие иного хозяйственного применения.
За последнее время использование биомассы в различных ее формах (дерево, древесный уголь, отходы сельскохозяйственного производства и животных) в мире в целом снизилось.
Биогаз с высокой эффективностью может трансформироваться в другие виды энергии, при этом коэффициент его полезного использования в качестве топлива на газогенераторах может составлять до 83%. Производство биогаза в некоторых зарубежных странах уже заняло ведущее положение в энергетическом балансе сельскохозяйственного производства.
6. Основной источник возобновляемой энергии – солнце. Второй по величине – Мировой океан, являющийся одновременно и природным концентратором солнечной энергии. Формы аккумуляции энергии в океане разнообразны. Энергетические источники океана имеют различные по потенциалу ресурсы. Значительные энергетические возможности заключают в себе: тепловая энергия океана, течения и волны, приливы, перепады солености, биомасса.
Исследования дают основание сделать вывод, что волны в сравнении с другими возобновляемыми источниками энергии океана обладают довольно хорошими показателями, что позволит в будущем эффективно использовать их энергию.
В перспективе энергию морских волн можно вовлечь в общий баланс энергетических ресурсов, используемых человеком в хозяйственной деятельности.
Энергообмен - это процесс переноса энергии из системы в среду или из среды в систему, из одной формы движения в другую внутри системы, из формы движения в силовое взаимодействие и наоборот.
Изменение энергии системы всех форм и видов является следствием энергообмена, как при переносе энергии через контрольную поверхность системы, так и при переносе энергии из одной формы движения в другую внутри системы.
1.3. Экологические пирамиды.
Функциональные взаимосвязи можно представить в виде экологической пирамиды. Трофическую структуру, можно изобразить графически, в виде так называемых экологических пирамид. Экологические пирамиды - это графические изображения численности, и др структуры между продуцентами, консументами и редуцентами. Основанием пирамиды служит уровень продуцентов, а последующие уровни питания образуют этажи и вершину пирамиды. Известны три основных типа экологических пирамид: 1) пирамида чисел, отражающая численность организмов на каждом уровне (пирамида Элтона); 2) пирамида биомассы, характеризующая массу живого вещества, — общий сухой вес, калорийность и т. д.; 3) пирамида продукции (или энергии), имеющая универсальный характер, показывает 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. 1). В основе этой закономерности лежит, во-первых, тот факт, что для уравновешивания массы большого тела необходимо много маленьких тел; во-вторых, от низших трофических уровней к высшим теряется количество энергии (от каждого уровня до предыдущего доходит лишь 10% энергии) и, в-третьих — обратная зависимость метаболизма от размера особей (чем мельче организм, тем интенсивнее обмен веществ, тем выше скорость роста их численности и биомассы).
Однако пирамиды численности будут сильно различаться по форме в разных экосистемах, поэтому численность лучше
Рис. 1. Упрощенная схема пирамиды Элтона (по Г. А. Новикову, 1979)
приводить в табличной форме, а вот — биомассу — в графической. Она четко указывает на количество всего живого вещества на данном трофическом уровне, например, в единицах массы на единицу площади — г/м2 или на объем — г/м3 и т. д.
В наземных экосистемах действует следующее правило пирамиды биомасс: суммарная масса растений превышает массу всех травоядных, а их масса превышает всю биомассу хищников. Это правило соблюдается, и биомасса всей цепочки изменяется с изменениями величины чистой продукции, отношение годового прироста которой к биомассе экосистемы невелико и колеблется в лесах разных географических зон от 2 до 6%. И только в луговых растительных сообществах она может достигать 40—55%, а в отдельных случаях, в полупустынях — 70—75 %.
На рис. 2 показаны пирамиды биомасс некоторых биоценозов. Как видно из рисунка, для океана приведенное выше правило пирамиды биомасс недействительно — она имеет перевернутый (обращенный) вид. Для экосистемы океана характерна тенденция накапливания биомассы на высоких уровнях у хищников/Хищники живут долго и скорость оборота их генераций мала, но у продуцентов — у фитопланктонных водорослей, оборачиваемость может в сотни раз превышать запас биомассы. Это значит, что их чистая продукция и здесь превышает продукцию, поглощенную консументами, т.е. через уровень продуцентов проходит больше энергии,
Рис. 2. Пирамиды биомассы некоторых биоценозов (по Ф. Дре, 1976) : П — продуценты; РК — растительноядные консументы; ПК — плотоядные консументы; Ф — фитопланктон; 3 — зоопланктон (крайняя справа пирамида биомассы имеет перевернутый вид)
чем через всех консументов. Отсюда понятно, что еще более совершенным отражением влияния трофических отношений на экосистему должно быть правило пирамиды продукции (или энергии): на каждом предыдущем трофическом уровне количество биомассы, создаваемой за единицу времени (или энергии), больше, чем на последующем. Пирамида продукции отражает законы расходования энергии в трофических цепях. На рис. 3 показана пирамида энергий (Ю. Одум, 1986).
Рис. 3. Пирамида энергий для Силвер-Спрингс, в ккал /м2год (по Ю. Одуму) (заштрихованные части прямоугольника и цифры в скобках энергия, аккумулированная в биомассе): Р — продуценты;Н — травоядные; С — плотоядные; ТС — хищные рьбы; D р деструкторы.
В конечном итоге все три правила пирамид отражают энергетические отношения в экосистеме, а пирамида продукции (энергии) имеет универсальный характер. В природе, в стабильных системах биомасса изменяется незначительно, т. е. природа стремится использовать полностью валовую продукцию. Знание энергетики экосистемы и количественные ее показатели позволяют точно учесть возможность изъятия из природной экосистемы того или иного количества растительной и животной биомасссы без подрыва ее продуктивности. Человек получает достаточнсмного продукции от природных систем, тем не менее основным источником пищи для него является сельское хозяйство. Создав агроэкосистемы, человек стремится получить как можно больше чистой продукции растительности, но ему необходимо тратить половину растительной массы на выкармливание травоядных животных, птиц и т, д., значительная часть продукции идет в промышленность и теряется в отбросах, т. е. и здесь теряется около 90% чистой продукции и только около 10% непосредственно используется на потребление человеком.
В природных экосистемах энергетические потоки также изменяются по своей интенсивности и характеру, но этот процесс регулируется действием экологических факторов, что проявляется в динамике экосистемы в целом.
1.4. Законы термодинамики.
Пеpвое начало теpмодинамики гласит, что энергия не создается ни из чего и не исчезает в никуда, а только переходит из одной формы в другую. Энергия имеет множество разнообразных воплощений, среди них энергия движения, теплота, энергия гравитации, электрическая энергия, химическая энергия и другие. Независимо от формы, энергия означает способность совершать работу.
Второе начало термодинамики указывает, в каком направлении протекают естественные самопроизвольные процессы: энергетические процессы могут идти самопроизвольно только при условии перехода энергии из концентрированной формы в рассеянную. То есть во всех процессах некоторая часть энергии теряет свою способность совершать работу и ухудшает свое качество. Второе начало термодинамики также формулируется через понятие энтропии (мера беспорядка): процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии.
В открытых системах, к которым относятся и экологические, могут идти процессы как с возрастанием, так и уменьшением энтропии. При этом в экосистеме вещество распределяется таким образом, что в одних местах энтропия возрастает, а в других резко снижается. В целом же, система не теряет своей организованности или высокой упорядоченности. Способность системы снижать неупорядоченность внутри себя иногда интерпретируют, как способность накапливать отрицательную энтропию - негэнтропию.
1.5. Энергетический бюджет.
Поддержание жизни любого организма требует затрат энергии и нуждается в потреблении тепла, необходимого для осуществления основных физиологических и биохимических реакций.
Потребления энергии требует любая происходящая в организме работа. В процессе нашего дыхания, например, энергия расходуется на закачивание атмосферного воздуха в легкие, на реакции поглощения кислорода гемоглобином, на доставку кислорода с током крови в различные органы. Кроме того, энергия расходуется на движение, рост, размножение, поддержание иных видов жизнедеятельности организма. Всю необходимую энергию организмы получают извне и в ограниченных количествах.
Ограниченность энергетических ресурсов делает очень важным процесс их подразделения, т. е. использования на различные нужды. То, каким образом организм распределяет энергию и другие ресурсы для своих потребностей, представляет чрезвычайный интерес с точки зрения понимания взаимоотношений организма с окружающей средой.
Энергетический бюджет ― соотношение между получаемой организмом за тот или иной отрезок времени энергией и её расходом на поддержание различных процессов жизнедеятельности. Чтобы получить необходимое количество пищи, крупное животное должно перемещаться по более обширным пространствам, т. е. проделывать большую работу, чем потребляющее сходную пищу животное небольших размеров.
Затраты энергии на передвижение зависят не только от массы тела и образа жизни организма, но также от характера его питания. Пища травоядных животных, поедающих зеленые части растений (тех, которые пасутся, объедая траву и ощипывая листья с деревьев), обычно имеется в избытке. Поэтому такие животные, как правило, не занимают больших территорий. Хищники и те травоядные, которые вынуждены искать свою пищу, часто тратят много времени и энергии на поиск, перемещаясь по большим пространствам.
Первую группу животных принято называть «жнецами», а вторую "охотниками". "Жнецы" обычно используют пищу, имеющуюся в изобилии, и редко защищают свою территорию, а "охотники" специализированы на добывании более редкой пищи, как правило, активно охраняют занятый ими участок территории.
В районах, бедных пищей, например в пустынях, животные для добычи своего пропитания вынуждены передвигаться по большим пространствам, чем в районах, где пища в изобилии. Обширные индивидуальные участки животных, обитающих в условиях недостатка кормов, способствуют поддержанию низкой плотности обитателей этих мест. Это, в свою очередь, препятствует развитию общественного образа жизни. Поэтому сложное общественное поведение животных обычно возникает в процессе эволюции у "жнецов" или у очень подвижных "охотников" (дельфины).
Энергетическая стоимость движения зависит как от величины тела животного, так и от характера самого движения. Передвижение по суше требует небольших затрат, полет характеризуется некоторой средней величиной энергетических затрат, а плавание при хорошей обтекаемости тела и нейтральной плавучести наиболее экономично.
ГЛАВА 2. ПЕРЕНОС ЭНЕРГИИ В ЭКОСИСТЕМЕ
Характер связей и взаимодействия между элементами и с внешней средой представляет собой различные формы вещественного, энергетического и информационного обмена. При наличии связей системы с внешней средой границы являются открытыми, в противном случае – закрытыми.
Экологическая система представляет собой любую совокупность живых оpганизмов и сpеды их обитания, взаимосвязанных обменом веществ, энеpгии, и инфоpмации, котоpую можно огpаничить в пpостpанстве и во вpемени по значимым для конкpетного исследования пpинципам.
Изучение пpиpодных экосистем в общем случае производится в стpуктуpном и функциональном аспектах. В стpуктуpном отношении исследуется видовой состав экосистемы: выясняется пеpечень видов микpооpганизмов, pастений и животных, населяющих экосистему, их количественное соотношение.
Информация, в экологических системах может пониматься как энергетически слабый сигнал, управляющий системой. Например, он может восприниматься ее организмами в форме закодированного сообщения о возможности многократно более мощных влияний со стороны других организмов, либо факторов среды, вызывающих их ответную реакцию. Так, слабые и совершенно нечувствительные для человека подземные толчки - предвестники более мощного разрушительного землетрясения, воспринимаются многими животными, своевременно покидающими свои норки.
Таким образом, информационная сеть экосистемы состоит из потоков сигналов физико-химической природы и определяет ее кибернетические возможности (кибернетика - искусство управления, гр.). Управление в экосистемах основывается на обратной связи, изображаемой обратной петлей, по которой часть сигналов с выхода системы поступает обратно на ее вход. При этом их влияние на управление системой может резко усилится. В природе часто низкоэнергетические сигналы вызывают высокоэнергетические реакции.
Очевидно, что в жизни экологических систем действуют общие законы сохранения и термодинамики важные с точки зрения изучения потоков вещества и энергии.
Масса и энергия подчиняются закону сохранения, то есть они не могут исчезать и появляться не из чего.
Закон сохранения массы в приложении к экосистемам звучит следующим образом: баланс вещества в системе количественно определяется разницей масс поступившего и вышедшего вещества за определенный промежуток времени.
Большое значение в развитии экологических систем имеет закон максимизации энергии и информации: система всегда стремиться к максимальному освоению поступающей к ней энергии и информации, что определяет ее устойчивость и конкурентоспособность.
В открытой в теpмодинамическом отношении экосистеме мигpация вещества, энеpгии и инфоpмации пpоисходит как между элементами самой системы, так и чеpез ее гpаницы. Следовательно, правомерен принцип энергетической проводимости, утверждающий, что поток энергии, вещества и информации в экосистеме должен быть сквозным и охватывать все ее компоненты.
Длительность прохождения этого потока различна в различных экосистемах, например водной и субаэральной. В свою очередь, темпы водообмена также различны в реке, озере, океане, подземной гидросфере.
Важнейшее следствие из этого принципа - закон сохранения жизни, сформулированный Ю.Н.Куржаковским. Он гласит: жизнь может существовать лишь при движении через живое тело потока веществ, энергии и информации.
Пирамида энергии - величина потока энергии, проходящего через различные трофические уровни. В отличие от пирамиды чисел или биомассы, характеризующих статику экосистемы, пирамида энергии характеризует динамику прохождения массы пищи через пищевую цепь. На ее форму не влияют ни размеры особей, ни интенсивность их метаболизма. Кроме того, пирамида чисел преувеличивает роль мелких организмов, пирамида биомассы преувеличиват роль крупных. Поэтому пирамида энергии является наиболее универсальной характеристикой для сравнения потока энергии, проходящего через разные уровни, а также для сравнения одной экосистемы с другой.
Движение потока энергии в экосистеме можно представить в виде схемы:
Рис. 4. Схема движения потока энергии.
Солнечная энергия, получаемая растениями, только частично используется для фотосинтеза. Энергия, запасенная в углеводах, расходуется на рост и дыхание растений.
Валовой первичной продукцией называется биомасса продуцентов, накопленная ими в процессе фотосинтеза, включая ту его часть, которая была израсходована на дыхание.
Чистая первичная продукция - биомасса органического вещества, накопленная в растениях за данных период времени без дыхания.
Пч = Пв - Д1
Пв - валовая первичная продукция;
Д1 - затраты на дыхание.
Часть органического вещества, созданного продуцентами - пища для первичных консументов. Эта энергия используется ими для образования биомассы, для покрытия затрат на дыхание, а неусвоенная часть выделяется в виде экскрементов.
Поток энергии, проходящей через 2 уровень:
А2 = П2 +Д2
П2 - прирост биомассы второго уровня (чистая вторичная продукция).
Поток энергии, проходящей через 3 уровень:
А3 = П3 +Д3
Для трофических цепей характерны следующие закономерности:
поток энергии, выражающийся количеством вещества, синтезированного на каждом уровне, по мере продвижения по цепи уменьшается, так как определенное количество вещества может быть использовано каждым биогеоценозом неоднократно, а порция энергии - лишь один раз, то в экосистеме происходит каскадный перенос энергии и круговорот веществ.
Промежуточная продукция - продукция, которая после потребления другими членами биогеоценоза возвращается в круговорот данного биогеоценоза. Конечная продукция исключается из данного биогеоценоза, то есть выводится за его пределы.
Чистая продукция сообщества - количество накопленного в сообществе органического вещества, непотребленного гетеротрофами, то есть чистая первичная продукция за вычетом той ее части, которая в течение данного времени была потреблена гетеротрофами.
Экологическая пирамида - это графическое изображение соотношения различных трофических уровней пищевой цепи. Основание экологической пирамиды составляет уровень продуцентов.
Тpофические или пищевые цепи могут быть пpедставлены в фоpме пиpамиды. Численное значение каждой ступени такой пиpамиды может быть выpажена числом особей, их биомассой или накопленной в ней энергией.
В соответствии с законом пирамиды энергий Р.Линдемана и правила десяти процентов, с каждой ступени на последующую ступень переходит приблизительно 10 % (от 7 до 17 %) энергии или вещества в энергетическом выражении. Заметим, что на каждом последующем уровне при снижении количества энергии ее качество возрастает, т.е. способность совершать работу единицы биомассы животного в соответствующее число раз выше, чем такой же биомассы растений.
Ярким примером является трофическая цепь открытого моря, представленная планктоном и китами. Масса планктона рассеяна в океанической воде и, при биопродуктивности открытого моря менее 0,5 г/м2 сут-1, количество потенциальной энергии в кубическом метре океанической воды бесконечно мало в сравнении с энергией кита, масса которого может достигать нескольких сотен тонн. Как известно, китовый жир - это высококалорийный продукт, который использовали даже для освещения.
В деструкции органики тоже наблюдается соответствующая последовательность: так около 90 % энергии чистой первичной продукции освобождают микроорганизмы и грибы, менее 10 % - беспозвоночные животные и менее 1 % - позвоночные животные, являющиеся конечными консументами. В соответствии с последней цифрой сформулировано правило одного процента: для стабильности биосферы в целом доля возможного конечного потребления чистой первичной продукции в энергетическом выражении не должно превышать 1%.
Опиpаясь на пищевую цепь, как основу функциониpования экосистемы, можно также объяснить случаи накопления в тканях некоторых веществ (например синтетических ядов), которые по меpе их движения по тpофической цепи не участвуют в нормальном обмене веществ организмов. Согласно правила биологического усиления происходит примерно десятикратное увеличение концентрации загрязнителя при переходе на более высокий уровень экологической пирамиды. В частности, казалось бы незначительное повышенное содеpжания pадионуклидов в pечной воде на пеpвом уpовне трофической цепи осваивается микpооpганизмами и планктоном, затем концентpиpуется в тканях pыб и достигает максимальных значений у чаек. Их яйца имеют уровень радионуклидов в 5000 pаз больший по сравнению с фоновым загрязнением.
Когда происходит исчезновение видов, прежде всего составленных крупными особями, в итоге меняется вещественно-энергетическая структура ценозов. Если энергетический поток, проходящий через экосистему, не меняется, то включаются механизмы экологического дублирования по принципу: исчезающий или уничтожаемый вид в рамках одного уровня экологической пирамиды заменяет другой функционально-ценотический, аналогичный. Замена вида идет по схеме: мелкий сменяет крупного, эволюционно ниже организованный более высокоорганизованного, более генетически лабильный менее генетически изменчивого. Так как экологическая ниша в биоценозе не может пустовать, то экологическое дублирование происходит обязательно.
Все популяции продуцентов, консументов и гетеротрофов тесно взаимодействуют через трофические цепи и таким образом поддерживают структуру и целостность биоценозов, согласовывают потоки энергии и вещества, обуславливают регуляцию окружающей их среды. Вся совокупность тел живых организмов населяющих Землю физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности и называется живым веществом (закон физико-химического единства живого вещества В.И.Вернадского). Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4-3,6*1012 т (в сухом весе).
Общие законы функционирования экосистем, сформулируем еще раз основные их положения:
1) природные экосистемы существуют за счет не загрязняющей среду даровой солнечной энергии, количество которой избыточно и относительно постоянно;
2) перенос энергии и вещества через сообщество живых организмов в экосистеме происходит по пищевой цепи; все виды живого в экосистеме делятся по выполняемым ими функциям в этой цепи на продуцентов, консументов, детритофагов и редуцентов - это биотическая структура сообщества; количественное соотношение численности живых организмов между трофическими уровнями отражает трофическую структуру сообщества, которая определяет скорость прохождения энергии и вещества через сообщество, то есть продуктивность экосистемы;
3) природные экосистемы, благодаря своей биотической структуре, неопределенно долго поддерживают устойчивое состояние, не страдая от истощения ресурсов и загрязнения собственными отходами; получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов.
Итак, жизнь в экосистеме поддерживается благодаря непрекращающемуся прохождению через живое вещество энергии, передаваемой от одного трофического уровня к другому; при этом происходит постоянное превращение энергии из одних форм в другие. Кроме того, при превращениях энергии часть ее теряется в виде тепла.
Тогда возникает вопрос: в каких количественных соотношениях, пропорциях должны находиться между собой члены сообщества разных трофических уровней в экосистеме, чтобы обеспечивать свою потребность в энергии?
Весь запас энергии сосредоточен в массе органического вещества - биомассе, поэтому интенсивность образования и разрушения органического вещества на каждом из уровней определяется прохождением энергии через экосистему (биомассу всегда можно выразить в единицах энергии) .
Скорость образования органического вещества называют продуктивностью. Различают первичную и вторичную продуктивность.
В любой экосистеме происходит образование биомассы и ее разрушение, причем эти процессы всецело определяются жизнью низшего трофического уровня - продуцентами. Все остальные организмы только потребляют уже созданное растениями органическое вещество и, следовательно, общая продуктивность экосистемы от них не зависит.
Высокие скорости продуцирования биомассы наблюдаются в естественных и искусственных экосистемах там, где благоприятны абиотические факторы, и особенно при поступлении дополнительной энергии извне, что уменьшает собственные затраты системы на поддержание жизнедеятельности. Такая дополнительная энергия может поступать в разной форме: например, на возделываемом поле - в форме энергии ископаемого топлива и работы, совершаемой человеком или животным.
Таким образом, для обеспечения энергией всех особей сообщества живых организмов экосистемы необходимо определенное количественное соотношение между продуцентами, консументами разных порядков, детритофагами и редуцентами. Однако для жизнедеятельности любых организмов, а значит и системы в целом, только энергии недостаточно, они обязательно должны получать различные минеральные компоненты, микроэлементы, органические вещества, необходимые для построения молекул живого вещества.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот вещества в экосистемах, т. е. существование экосистем, зависит от постоянного притока энергии, необходимой всем организмам для их жизнедеятельности и самовоспроизведения
В отличие от веществ, непрерывно циркулирующих по разным блокам экосистемы, которые всегда могут повторно использоваться, входить в круговорот, энергия может быть использована только раз, т. е. имеет место линейный поток энергии через экосистему.
Односторонний приток энергии как универсальное явление природы происходит в результате действия законов термодинамики.
Таким образом, живые организмы являются преобразователями энергии. И каждый раз, когда происходит превращение энергии, часть ее теряется в виде тепла. В конечном итоге вся энергия, поступающая в биотический круговорот экосистемы, рассеивается в виде тепла. Живые организмы фактически не используют тепло как источник энергии для совершения работы — они используют свет и химическую энергию.
Список использованной литературы и источников
1. Экология: Н.И. Николайкин, Н.Е. Николайкина, О.П. Мелехова — 5-е. — Москва, Дрофа, 2006.
2. Экология: Коробкин В.И.,Учебник для вузов - 11-е. – Феникс, 2006.
3. Основы экологии: учебник для 10 (11) классов общеобразовательных учреждений, Константинов В.М., Дрофа, 2006.
4. Экология: Горелов А.А., Academia, 2009.
5. http://meduniver.com
