Биогенные макроэлементы

Первостепенное значение среди них имеют фосфор и азот в доступной для организмов форме. Фосфор – это важнейший и необходимый элемент протоплазмы, а азот входит во все белковые молекулы.

Основной источник азота – атмосферный воздух, а фосфора – лишь горные породы и отмершие организмы. Азот фиксируется большинством растительных и гетеротрофных организмов и включается в биологический круговорот. Фосфора в организме содержится в процентном отношении больше, чем в исходных природных источниках, и именно поэтому так ве­лика его лимитирующая роль. Ю. Одум (1975) приводит пример с желтком яйца утки, в одном грамме которого фосфора содержится больше в 9 10⁶ раз, чем в одном грамме воды реки Колумбии, из которой птица получает пищу.

Недостаток фосфора по своему влиянию на продуктивность биоты стоит на втором месте после воды.

Лишь немногим по своему значению этим элементам уступают калий, кальций, сера и магний. Калий входит в состав клеток, играет важнейшую роль в осмотических процессах, в работе нервной системы животных и человека, способствует росту растений и т. д. Кальций является составной частью раковин и костей животных, необходим растениям и т. д. Сера входит в состав некоторых аминокислот, коферментов, витаминов, обеспечивает хемосинтез и др. Магний — необходимая часть молекул хлорофилла, входит в состав рибосом растений и животных и др.

Биогенные микроэлементы

Входят в состав ферментов и нередко бывают лимитирующими факторами. Для растений в первую очередь необходимы: железо, марганец, медь, цинк, бор, кремний, молибден, хлор, ванадий и кобальт. Если в этом наборе, например, нехватка Мn, Ре, С15 2п и V, то не будет полноценным процесс фотосинтеза, а если не будет Мо, В, Со и Ре, то нарушится азотный обмен, и т. п. Эти же микроэлементы необходимы животным и человеку. Их недостаток (или избыток при загрязнении) вызывает болезни.

Граница между макро- и микроэлементами довольно условна: например, натрия животным требуется во много раз больше, чем растениям, для которых натрий часто вносят в список микроэлементов.

Лекция 19-26

1. Круговороты веществ в природе.

Современное представление о биосфере введено В.И.Вернадским. Повторим, что границы биосферы, в атмосфере до- слоя озона (25 км),в гидросферt-до макс.глубины (11 км), литосфере ( до 3 км., нефтеносные слои).

Биосфера возникла с появлением жизни 4 млрд. лет тому. Она включает организмы (3 млн.видов) и их остатки, зоны атмосферы, гидросферы, литосферы, населенные и видоизмененные этими организмами, живое вещество, биогенное вещество (продукты жизнедеятельности организмов, осадочных породы органического происхождения), биокосное вещество (продукты распада и переработки горных пород живыми организмами), косное вещество (горные породы магматического и неорганического происхождения, вод, переработанные и видоизмененные живыми организмами), вещества космического происхождения.

Особенность биосферы - биогенная миграция атомов химических элементов, вызванная энергией Солнца и вращающаяся в процессах обмена веществ, росте, размножении организмов.

Изучение взаимосвязи организмов с, окружающей средой представляют собой объект экологических исследований. Они могут включать: полевые наблюдения; прямой эксперимент (осложняется из-за большого количества факторов); моделирование (использование искусственных схем с основными свойствами реальных систем), эмпирические исследования (состояние биосферы в прошлом по отложениям).

Экосистема является основным объектом изучения традиционной экологии. Впервые это понятие ввел в 1935 г. А.Тенсли. По А.Тенсли экосистема - безразмерные устойчивые системы живых и неживых компонентов, в которых совершается внешний и внутренний круговорот вещества и энергии.

Экосистема охватывает пространство любой протяженности и размерности (от капли до планеты). Как было ранее отмечено, существует несколько подходов (взглядов) на определение этого понятия. К сказанному ранее добавим, что экосистема - 1) любое сообщество живых существ и его среда обитания, объединенные в единое функциональное целое, возникающее на основе взаимозависимости и причинно-следственных связей, существующих между отдельными экологическими компонентами. Выделяют микроэкосистемы (например, ствол гниющего дерева и т.п.), мезоэкосистемы (лес, пруд и т.д.) и макроэкосистемы (океан, континент и т.п.). Глобальная экосистема одна - биосфера; 2) синоним биогеоценоза. Биогеоценоз правильнее рассматривать как иерархически элементарную комплексную, т.е. состоящую из биотопа и биоценоза, экосистему, своеобразную "клеточку" (по аналогии с клеточным строением организмов;) 3) информационно саморазвивающаяся, термодинамически открытая совокупность вещества и энергии, единство и функциональная связь которых в пределах характерного для определенного участка биосферы времени и пространства обеспечивают превышение на этом участке внутренних закономерных перемещений вещества, энергии и информации над внешним обменом ( в том числе между соседними аналогичными совокупностями) и на основе этого неопределенно долго саморегуляцию и развитие целого под управляющим воздействием биотических и биогенных составляющих. Различают следующие структуры экосистемы (т.е. закономерные связи и определенное распространение элементов в системе):

- компонентная (видовой или популяционный состав) и количественное соотношение различных видов в популяции и др. структурных элементов;

- пространственное распределение элементов (хорологическая)

- вертикальное распределение.

- трофическая - совокупность всех связей, в первую очередь, цепей и циклов питания. В трофических цепях различают: продуцентов, консументов и редуцентов.

По закону Линдемана (1942 г.), только 10% энергии, поступившей на определенный трофический уровень биоценоза, передается организмами, находящимся на более высоких трофических уровнях. Поэтому количество звеньев в пищевой цепи всегда ограничено (5-6).

Солнечной энергией 100

I Продуценты 100

II Консументы 1 порядка 1-3

III Вторичные консум. 0,1-0,6

IV Вторичные хищники 0,01-0,1

V Паразиты вторичные хищников

VI Надпаразиты высоких порядков.

1; числами 0.1 - обозначена биомасса в условных числах

Экосистемы имеют ряд принципиальных отличий от технических систем.

-неадекватность поведения.

-многомерность протекающих в системе формирующих интеграционных процессов.

-принцип, неприменимость традиционных методов оптимизации по экологическим критериям.

Основное свойство экосистем - наличие одного (чаще всего биотического) главного компонента, с точки зрения которого она и рассматривается. Привязка к земной поверхности второстепенна, анализ ведется чаще всего, с трофических позиций. Все остальные компоненты среды рассматриваются с точки зрения их влияния на главный компонент.

Относительно биогеоценоза, необходимо отметить, что ряд исследователей считает, что он состоит из элементарных (низших по рангу) экологических систем, охватывающих участки пространств с практически равномерно распределенными в них условиями жизни и населяющими их организмами: ценоз (Сукачев, 1942), экоценоз (Каssas, girgis,1965), ценоэкосистема (Быков, 1970), геоэкосистема (Сочава, 1970), биоценотон (Иоганзен, 1971) геоэкобиота (Герасимов, 1973),геоэкосистема, биоэкос (Nesterov, 1975).

Отмечая экосистемы как объект исследования традиционной экологии, мы тем самым как бы автоматически присоединились к сторонникам экосистемного подхода. Сторонники этого подхода считают экологию - наукой об экосистемах, а любое изучаемое экологами явление представляет интерес прежде всего постольку, поскольку оно имеет значение для экосистемы в целом. Но необходимо знать, что существует и другой подход - популяционный. Популяционный подход концентрирует основное внимание на популяциях, т.е. совокупностях особей одного вида, населяющих определенную территорию (или акваторию). А.М.Гиляров (1989) считает, что в отличие от экосистемного подхода, тяготеющего к целостному (холистическому) описанию, популяционный подход более склонен к аналитическому объяснению. Будущим неоэкологам, вероятно, нецелесообразно останавливаться на каком-либо одном подходе. Необходимо освоение и того, и другого. Поэтому в рекомендованной литературе предложены учебники и первого, и второго подхода. Тем не менее, учитывая, что в русскоязычной литературе более широкое распространение получил экосистемный подход, он же естественно и более разработан, будет уместным несколько большее внимание уделить популяционному подходу. Поэтому на изложении материала мы в значительной мере последовали учебнику экологии, написанному тремя видными английскими исследователями М.Бигоном, Дж.Харпером и К.Таундсеном в русле именно популяционного подхода.

Но прежде чем мы последуем популяционному подходу необходимо рассмотреть две неразрывно связанные, главные проблемы: круговорот веществ и фотосинтез. Рассмотрим их кратко на уровне понятий с минимальным объяснением (описанием).