Поток энергии и продуктивность экосистемы. Источники и потоки энергии в биологических системах. Организованность биосферы. Производство

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Уральский государственный лесотехнический университет

 

Кафедра Ботаники и защиты леса

 

 

 

Реферат по предмету: учение о биосфере

Тема: Поток энергии и продуктивность экосистемы. Источники и потоки энергии в биологических системах. Организованность биосферы. Производство энергии человеком как процесс в биосфере.

Понятие круговорота энергии в биосфере. Понятие «организованности» по В.И. Вернадскому как устойчивой динамической системы. Организованность биосферы на термодинамическом, физическом, биологическом, парагенетическом и энергетическом уровнях. Виды энергии. Потоки экзогенной и эндогенной энергии.

 

 

 

 

Работу выполнила:

студентка II курса

 Волегова Ксения

ЛХФ – 241.

 

 

 

 

 

Екатеринбург, 2013 г.

Содержание:

Введение ………………………………………………………………………… 3

Часть первая. Глава 1. Поток энергии и продуктивность экосистем. Производство энергии человеком как процесс в биосфере.

1. Поток энергии в экосистеме ……………………………………………. 4-7
2. Продуктивность экосистем …………………………………………… 8- 12
3. Организованность биосферы ……………………………………….   13-17
4. Производство энергии человеком как процесс в биосфере ……….   18-19

Часть вторая. Глава 2. Понятие круговорота энергии в биосфере. Виды энергии. Потоки экзогенной и эндогенной энергии………………….    

2.1.Понятие круговорота энергии в биосфере …………………………...      20-21

2.1.1.Понятие «организованности» по В.И. Вернадскому как устойчивой динамической системы ……………………………………………………      22

2.2. Организованность биосферы на термодинамическом, физическом, биологическом, парагенетическом и энергетическом уровнях ………...      23

2.3.Виды энергии. Потоки экзогенной и эндогенной энергии …………...    24-26

Вывод …………………………………………………………………………   27-28

Список литературы, использованной при составлении реферата ……….    29

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение:

Жизнь в экосистеме поддерживается благодаря непрекращающемуся необратимому прохождению энергии, передаваемой от одного трофического уровня к другому, при этом происходит превращение энергии из одних форм в другие. Нетрадиционные источники в совокупности дают едва ли 1–2 % энергии, потребляемой человечеством, и просто преобразуют или утилизируют естественную энергию, не добавляя ее к общей энергии планеты. По сути они являются экспериментальными, их роль в развитии экологического кризиса неуловимо мала, потому далее они не рассматриваются. Биосфера возникла 3 млрд 800 млн лет назад, т.е. всего через 100 млн лет после образования земной коры и Мирового океана. С этого момента началось накопление полезных ископаемых в виде осадков (уголь, нефть, торф, железо, известняки, магний и др.), а после выхода жизни на сушу – возникновение почвы. Эти ископаемые, по сути представляющие собой склады отходов жизнедеятельности различных организмов, обитавших в биосфере минувших эпох, и начал использовать человек, самым примитивным способом извлекая сохранившуюся в них остаточную энергию. Вероятно, какая-то часть ископаемых энергосодержащих веществ возникла и абиогенным путем. Получая эту энергию недр Земли, доходящую до него в виде газа, нефти и угля, человек одновременно создает вторичные отходы, которые совершенно чужеродны биосфере и постепенно истощают экологическую емкость ее буферных систем. Они накапливаются в этих системах в виде аэрозольных, пылевых, жидких и твердых веществ, обладающих высокой реактогенной способностью. В общем балансе отходов цивилизации на долю энергетики приходится 38 % всех чужеродных биосфере веществ. Воздух, вода и почва пока могут очищаться только биогенным путем, поскольку более эффективных, чем природные, способов нейтрализации как первичных, так и вторичных отходов цивилизации, человечество еще не разработало. Нарушить природный механизм самоочищения очень легко, восстановить его нормальный ход практически невозможно, во всяком случае, при современном уровне научных знаний и инженерной мысли. В то же время на Землю, постоянно поступают потоки энергии из космоса и от Солнца, которая фактически никак не используется. За исключением крайне незначительных количеств (0,06 %), утилизируемых живыми организмами, она "бесполезно" рассеивается в пространстве. Если бы были найдены способы использования хотя бы незначительной части солнечной энергии, поступающей на Землю в количестве 178 ТВт/год (или 3,9 • 1024 Дж/год), которое эквивалентно сжиганию 8,6 • 1013 тонн сырой нефти, проблема была бы решена раз и навсегда. Опасность возникновения экологического кризиса по крайней мере по этой причине была бы снята. В таком случае для покрытия годовой потребности в энергии достаточно было бы утилизировать солнечное излучение, падающее на 0,1 % площади суши даже при КПД установок 10 %. Если удалось бы собрать энергию Солнца, приходящуюся только на пустыни, ее количество составило бы свыше 4,5 • 1020 Дж/год. К сожалению, исследования в этой области во всех странах находятся в зачаточном состоянии, так как на них выделяют не более 4 % средств, отпускаемых правительствами на исследования в области энергетики.

Часть первая. Глава 1. Поток энергии и продуктивность экосистем. Производство энергии человеком как процесс в биосфере.

1. Поток энергии в экосистеме.

Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ, которые необходимы для поддержания жизни. Главным источником энергии для подавляющего большинства живых организмов на Земле является Солнце. Фотосинтезирующие организмы (зеленые растения, цианобактерии, некоторые бактерии) непосредственно используют энергию солнечного света. При этом из углекислого газа и воды образуются сложные органические вещества, в которых часть солнечной энергии накапливается в форме химической энергии. Органические вещества служат источником энергии не только для самого растения, но и для других организмов экосистемы. Высвобождение заключенной в пище энергии происходит в процессе дыхания. Продукты дыхания — углекислый газ, вода и неорганические вещества — могут вновь использоваться зелеными растениями. В итоге вещества в данной экосистеме совершают бесконечный круговорот. При этом энергия, заключенная в пище, не совершает круговорот, а постепенно превращается в тепловую энергию и уходит из экосистемы. Поэтому необходимым условием существования экосистемы является постоянный приток энергии извне.  Таким образом, основу экосистемы составляют автотрофные организмы —продуценты (производители, созидатели), которые в процессе фотосинтеза создают богатую энергией пищу — первичное органическое вещество. В наземных экосистемах наиболее важная роль принадлежит высшим растениям, которые, образуя органические вещества, дают начало всем трофическим связям в экосистеме, служат субстратом для многих животных, грибов и микроорганизмов, активно влияют на микроклимат биотопа. В водных экосистемах главными производителями первичного органического вещества являются водоросли. Готовые органические вещества используют для получения и накопление энергии гетеротрофы, или консументы (потребители). К гетеротрофам относятся растительноядные животные (консументы I Порядка), плотоядные, живущие за счет растительноядных форм (консументы II порядка), потребляющие других плотоядных (консументы Ш порядка) и другие. Особую группу консументов составляют редуценты (разрушители, или деструкторы), разлагающие органические остатки продуцентов и консументов до простых неорганических соединений, которые затем используются продуцентами. К редуцентам относятся главным образом микрорганизмы — бактерии и грибы. В наземных экосистемах особенно важное значение имеют почвенные редуценты, вовлекающие в общий круговорот органические вещества отмерших растений (они потребляют до 90% первичной продукции леса). Таким образом, каждый живой организм в составе экосистемы занимает определенную экологическую нишу (место) в сложной системе экологических взаимоотношений с другими организмами и абиотическими условиями среды. Основой любой экосистемы, ее фундаментом являются пищевые (трофические) и сопутствующие им энергетические связи. В них постоянно происходит перенос вещества и энергии, которые заключены в пище, созданной преимущественно растениями. Перенос потенциальной энергии пищи, созданной растениями, через ряд организмов путем поедания одних видов другими называется цепью питания или пищевой цепью, а каждое ее звено —трофическим уровнем. Первый трофический уровень образуют продуценты (растения), второй — первичные консументы (растительноядные животные), третий — вторичные консументы (плотоядные животные и паразиты). Поскольку каждый организм имеет несколько источников питания и сам является объектом питания для других организмов из одной и той же пищевой цепи или даже из разных (всеядные организмы, например человек, медведь, воробей, потребляют как продуцентов, так и консументов, т. е. живут на разных трофических уровнях), цепи питания многократно разветвляются и переплетаются в сложные пищевые сети. Существуют два основных типа пищевых цепей:

• Пастбищные (цепи выедания, или цепи потребления) 
• Детритные (цепи разложения)

Пастбищные цепи начинаются с продуцентов: клевер — кролик — волк; фитопланктон (водоросли) — зоопланктон (простейшие) — плотва — щука — скопа.

Детритные цепи начинаются от растительных и животных остатков, экскрементов животных — детрита; идут к микроорганизмам, которые ими питаются, а затем к мелким животным (детритофагам) и к их потребителям — хищникам. Детритные цепи наиболее распространены в лесах, где большая часть (более 90%) ежегодного прироста биомассы растений не потребляется непосредственно растительноядными животными, а отмирает, подвергаясь разложению (сапротрофными организмами) и минерализации.

Типичным примером детритной пищевой связи наших лесов является следующий: листовая подстилка — дождевой червь — черный дрозд— ястреб-перепелятник. Кроме дождевых червей, детритофагами являются мокрицы, клеши, ногохвостки, нематоды и другие.

Пищевые сети внутри каждого биогеоценоза имеют хорошо выраженную структуру. Она характеризуется количеством, размером и общей массой организмов — биомассой — на каждом уровне цепи питания. Для пастбищных пищевых цепей характерно увеличение плотности популяций, скорости размножения и продуктивности их биомасс. Снижение биомассы при переходе с одного пищевого уровня на другой обусловлено тем, что далеко не вся пища ассимилируется консументами. Так, например, у гусеницы, питающейся листьями, в кишечнике всасывается только половина растительного материала, остальное выделяется в виде экскрементов. Кроме того, большая часть питательных веществ, всасываемых кишечником, расходуется на дыхание и лишь 10—15% в конечном счете используется на построение новых клеток и тканей гусеницы. По этой причине продукция организмов каждого последующего трофического уровня всегда меньше (в среднем в 10 раз) продукции предыдущего, т. е. масса каждого последующего звена в цепи питания прогрессивно уменьшается. Эта закономерность получила название правило экологической пирамиды - графические изображения соотношения между продуцентами и консументами всех уровней (травоядных, хищников, видов, питающихся другими хищниками) в экосистеме. Эффект пирамид в виде графических моделей разработан в 1927 году Ч. Элтоном.

Различают три способа составления экологических пирамид:

1. Пирамида численностей отражает численное соотношение особей разных трофических уровней экосистемы. Если организмы в пределах одного или разных трофических уровней сильно различаются между собой по размерам, то пирамида численностей дает искаженные представления об истинных соотношениях трофических уровней. Например, в сообществе планктона численность продуцентов в десятки и сотни раз больше численности консументов, а в лесу сотни тысяч консументов могут питаться органами одного дерева — продуцента.
2. Пирамида биомасс показывает количество живого вещества, или биомассы, на каждом трофическом уровне. В большинстве наземных экосистем биомасса продуцентов, т. е. суммарная масса растений наибольшая, а биомасса организмов каждого последующего трофического уровня меньше предыдущего. Однако в некоторых сообществах биомасса консументов I порядка бывает больше биомассы продуцентов. Например, в океанах, где основными продуцентами являются одноклеточные водоросли с высокой скоростью размножения, их годовая продукция в десятки и даже сотни раз может превышать запас биомассы. Вместе с тем, вся образованная водорослями продукция так быстро вовлекается в цепи питания, что накопление биомассы водорослей мало, но вследствие высоких темпов размножения небольшой их запас оказывается достаточным для поддержания скорости воссоздания органического вещества. В связи с этим в океане пирамида биомасс имеет обратное соотношение, т. е. «перевернута». На высших трофических уровнях преобладает тенденция к накоплению биомассы, так как длительность жизни хищников велика, скорость оборота их генераций, наоборот, мала, и в их теле задерживается значительная часть вещества, поступающего по цепям питания.
3. Пирамида энергии отражает величину потока энергии в цепи питания. На форму этой пирамиды не влияют размеры особей, и она всегда будет иметь треугольную форму с широким основанием внизу, как это диктуется вторым законом термодинамики. Поэтому пирамида энергии дает наиболее полное и точное представление о функциональной организации сообщества, о всех обменных процессах в экосистеме. Если пирамиды чисел и биомасс отражают статику экосистемы (количество и биомассу организмов в данный момент), то пирамида энергии —динамику прохождения массы пищи через цепи питания.

Таким образом, основание в пирамидах чисел и биомасс может быть больше или меньше, чем последующие трофические уровни (в зависимости от соотношения продуцентов и консументов в различных экосистемах). Пирамида энергии всегда суживается кверху. Это обусловлено тем, что энергия, затраченная на дыхание, не передается на следующий трофический уровень и уходит из экосистемы. Поэтому каждый последующий уровень всегда будет меньше предыдущего. В наземных экосистемах уменьшение количества доступной энергии обычно сопровождается снижением численности и биомассы особей на каждом трофическом уровне. Вследствие таких больших потерь энергии на построение новых тканей и дыхание организмов цепи питания не могут быть длинными; обычно они состоят из 3—5 звеньев (трофических уровней).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.Продуктивность  экосистем.

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.

Солнце для планеты Земля — это жизнь для всего живого. На поверхность планеты Земля ежегодно поступает примерно 55 ккал/см2. При этом растения фиксируют не более 1—2% солнечной энергии, остальное затрачивается на нагревание атмосферы, суши и испарения. Из накопленной растениями солнечной энергии не более 7—10% достается растительноядным животным, питающимся живыми растениями.

По продуктивности экосистемы разделяются на 4 класса:

1. Экосистемы  очень высокой биологической  продуктивности — свыше 2 кг/м2 в год. К ним относятся заросли тростника в дельтах Волги, Дона и Урала. По продуктивности они близки к экосистемам тропических лесов и коралловых рифов.

 

2. Экосистемы  высокой биологической продуктивности  — 1—2 кг/м2 в год. Это липово-дубовые леса, прибрежные заросли тростника на озере, посевы кукурузы и многолетних трав при орошении.

 

3. Экосистемы  умеренной биологической продуктивности  — 0,25—1 кг/м2 в год. Такую продуктивность имеют многие растения: сосновые и березовые леса, сенокосные луга и степи, "морские луга", водоросли в Японском море.

 

4. Экосистемы  низкой биологической продуктивности  — менее 0,25 кг/м2 в год. Это арктические пустыни островов Северного Ледовитого океана, тундры, полупустыни.

Средняя продуктивность экосистем Земли не превышает 0,3 кг/м2 в год. Биологическая продуктивность экосистем — основа жизни биосферы и человека как ее части. Она зависит от ресурсов почвы (ее обеспеченности питательными элементами и влагой), атмосферы, солнечного света и тепла. Каждый из этих ресурсов незаменим. Продуктивность экосистемы в основном зависит от того ресурса, которого недостаточно или который находится в избытке (пример: переувлажнения почвы или высокая температура воздуха). Такой ресурс называется лимитирующим (т. е. ограничивающим) фактором; так, например, в Прикаспийской низменности урожай лимитируется количеством осадков. В зоне тундры и горных районов урожай лимитируется количеством тепла. Чтобы повысить продуктивность экосистем, человек стремится уменьшить влияние лимитирующих факторов — вносит удобрения, сажает влаголюбивые культуры, строит теплицы, парники. Биологическая продуктивность может снижаться и при загрязнении экосистем газообразными или жидкими ядовитыми отходами промышленных и сельскохозяйственных предприятий (кислотные дожди, ядохимикаты, дефолианты и т. д.). Любое нарушение взаимосвязей в экосистемах означает нарушение энергетических потоков. Производство способно развиваться только за счет использования ресурсов окружающей среды. Но нарушение энергетики биосферы более чем на 1% может привести к резкому нарастанию энтропии и гибели всей системы в результате термодинамического кризиса. Таким образом, биологическая продуктивность — основа жизни и человека. Она зависит от ресурсов почвы, от атмосферы, солнечного света и тепла. Каждый из этих элементов незаменим.

Рассмотрим биологическую продуктивность почв в зависимости от климатических условий. Известно, что главное вещество почвы — это гумус, который по своей природе является детритом — органическим веществом. Химический состав гумуса сложен: он состоит из фенолов и органических кислот темной окраски и образуется в результате процесса разложения (гумификации) органических веществ корневых остатков растений и почвенных животных. На долю гумуса приходится до 98% всего органического вещества почвы (остальные — живые корни, почвенные животные и неразложившиеся мертвые остатки организмов). В почве одновременно с процессом гумификации органического вещества происходит процесс минерализации гумуса. Под воздействием микроорганизмов сложные органические вещества разрушаются до форм, доступных растениям. У разных почв разные свойства. Они могут быть кислыми, нормальными, щелочными (рН 7). Они имеют и разные физические свойства. Могут быть рыхлыми и плотными. Естественный процесс почвообразования нарушается, если на почву влияет человек.

Почвы могут быть очень разнообразные по продуктивности: