Динамика экосистем. Сукцессия
Природные системы в то же время испытывают медленные постоянные изменения во времени, имеющие последовательный характер. Это изменения, прежде всего сообществ, входящих в состав экосистем.
Такое последовательное вытеснение одних видов другими в экосистеме называется сукцессией (от латинского слова "сукцедо" - следую).
Первичной сукцессией называется процесс развития и смены экосистем на не заселенных ранее участках, начинающийся с их колонизации. (обрастание голой скалы с развитием в конечном итоге на ней леса).
Восстановление экосистемы, когда-то уже существовавшей на данной территории, называют вторичной сукцессией (превращение заброшенных полей в широколиственные леса).
Сукцессия завершается стадией, когда все виды экосистемы, размножаясь, сохраняют относительно постоянную численность и дальнейшей смены ее состава не происходит. Такое равновесное состояние называют климаксом,а экосистему - климаксовой.
Экологическая ниша организмов
Место, занимаемое видом или организмом в экосистеме, называется экологической нишей. Различают:
• фундаментальную — охватывает все множество оптимальных условий, в которых данный вид может обитать в отсутствие врагов;
• реализованную — фактический комплекс условий, в которых вид обычно существует.
Принцип Гаузе. Два одинаковых в экологическом отношении и потребностях вида не могут сосуществовать в одном месте и рано или поздно один конкурент вытесняет другого.
Экологическая ниша как функциональное место вида в системе жизни не может долго пустовать - об этом говорит правило обязательного заполнения экологических ниш.
Замена происходит по схеме (механизмы экологического дублирования): мелкий сменяет крупного, эволюционно нижеорганизованный — более высокоорганизованного, более генетически лабильный и мутабельный менее генетически изменчивого
Правило, краевого эффекта, и состоит в том, что на стыках биоценозов увеличивается число видов и особей в них.
Акклиматизация - это комплекс мероприятий по вселению вида в новые места обитания, проводимый в целях обогащения естественных или искусственных сообществ полезными для человека организмами.
Интродукция – преднамеренное или непреднамеренное переселение видов в среду обитания для них не характерную.
Биогеохимические круговороты.
В отличие от энергии, которая однажды использованная организмом, превращается в тепло и теряется для экосистемы, вещества циркулируют в биосфере, что и называется биогеохимическими круговоротами.
Различают два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).
Большой круговорот, продолжающийся миллионы лет, заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, сносятся в Мировой океан, образуют морские напластования. Процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещения морей и приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу.
Малый круговорот (часть большого) происходит на уровне экосистемы и состоит в том, что питательные вещества, аккумулируются в веществе растений, расходуются на жизненные процессы самих растений, так и других организмов, которые поедают растения. Продукты распада под действием деструкторов и микроорганизмов вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаемых ими в
Круговорот углерода.
Круговорот азота.
Несмотря на то, что азот составляет около 80% атмосферного воздуха, в большинстве случаев он не может быть непосредственно использован растениями.
В природных условиях переход азота из газообразного N2 в фиксированную форму (ионы аммония (NH4) или нитрата(NO3)) возможен следующим образом:
• при разрядах атмосферного электричества во время грозы из азота и кислорода воздуха синтезируются оксиды азота, которые с дождем в виде азотной кислоты или иных растворимых нитратов попадают в почву.
• при отмирании особых азотфиксирующих микроорганизмов обладающих способностью превращать газообразный азот в аммонийную форму.
• путем фиксации азота бактериями, живущими в клубеньках бобовых растений и образующими с ними симбиотические связи (например, сои, клевера или люцерны).
• в водной среде и на очень влажной почве азотфиксация происходит благодаря цианобактериям(сине-зеленым водорослям) способным также и к фотосинтезу
Таким образом, все естественные экосистемы полностью зависят от азотфиксирующих микроорганизмов.
Существуют организмы (бактерии-денитрификаторы), способные превращать аммиак в нитриты, нитраты и в газообразный азот. Бактерии-денитрификаторы более разнообразны и многочисленны, чем азотфиксирующие бактерии.
Круговорот фосфора
Круговорот фосфора, как и других биогенных элементов, совершается по большому и малому циклам
Из всех макроэлементов фосфор — один из самых редких в доступных резервуарах на поверхности Земли.
В природе он содержится вв виде неорганического фосфат-иона (РО4). Фосфаты растворимы в воде, но не летучи.
РО4 поглощается растениями и включается в состав их органических соединений, выступая в дальнейшем; в форме «органического фосфора».По пищевым цепям фосфор последовательно переходит от растений к организмам всех трофических уровней, и аналогично углероду, в каждом из организмов велика вероятность окисления при клеточном дыхании фосфорсодержащего coединения с целью получения необходимой для жизнедеятельности энергии.
Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых существ возвращаются в землю, где снова подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в минеральные формы, употребляемые зелёными растениями.
Принципиальное различие круговоротов фосфора и углерода состоит в наличии либо отсутствии газовой фазы на одном из этапов цикла. Диоксид углерода в газообразном состоянии, попадая в воздух, свободно распространяется в атмосфере, переносясь на неограниченные расстояния, пока снова не будет усвоен растениями. В круговороте фосфора подобного этапа нет.
Попадая со сточными водами в водоемы, фосфат насыщает, а порой перенасыщает их экологические системы. Обратно на сушу фосфор в естественных условиях возвращается практически только с пометом и после гибели рыбоядных птиц.
Абсолютное большинство фосфатов образует донные отложения, и круговорот вступает в свою самую замедленную фазу.
ПОНЯТИЕ О БИОСФЕРЕ
Идея о влиянии жизни на природные процессы на огромных пространствах Земли была впервые научно обоснована на рубеже XIX и XX столетий в трудах В.В. Докучаева,
Э. Зюсс в 1875 году назвал область жизни на земле биосферой.
В 20-х годах прошлого века в трудах В. И. Вернадского было разработано представление о биосфере как глобальной единой системе Земли, где весь основной ход геохимических и энергетических превращений определяется жизнью.
Биосферой В. И. Вернадский назвал ту область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно подвергается или подвергалась воздействию живых организмов.
Всю совокупность организмов на планете В. И. Вернадский назвал живым веществом.
Косное вещество, по В. И. Вернадскому, это совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют.
Биогенное вещество создается и перерабатывается жизнью, совокупностями живых организмов. Это источник потенциальной энергии (каменный уголь, битумы, известняки, нефть). После образования биогенного вещества живые организмы в нем малодеятельны.
Особой категорией является биокосное вещество - оно «создается в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами. Организмы в биокосном веществе играют ведущую роль. Биокосное вещество планеты — это почвы, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества.
В глубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние. В литосфере жизнь ограничивает температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5—15 км уже превышает 100°С. Самая большая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены бактерии, составляет 4 км.
В океане жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин в 10—11 км от поверхности, так как температура там около 0°С.
Постепенно накапливающиеся в океане гигантские толщи осадочных пород, происхождение которых связано с деятельностью живых существ - это тоже части биосферы.
Верхняя граница жизни в атмосфере на высоте 25—27 км , где большую часть ультрафиолетового излучения Солнца поглощает находящийся здесь тонкий слой озона — озоновый экран.
Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В. И. Вернадский назвал «пленками жизни».