Круговорот веществ на Земле по м алому и большому кругу

Источник фосфора в биосфере — главным образом апатит, встречающийся  во всех магматических породах. В  превращениях фосфора (рис. 4) большую роль играет живое вещество. Организмы извлекают фосфор из почв, водных растворов. Фосфор входит в состав белков, нуклеиновых кислот, лецитинов, фитина и др. органических соединений; особенно много фосфора в костях животных. С гибелью организмов фосфор возвращается в почву и в донные отложения. Он концентрируется в виде морских фосфатных конкреций, отложений костей рыб, гуано, что создаёт условия для образования богатых фосфором пород, которые, в свою очередь, служат источниками фосфора в биогенном цикле.

Круговорот серы также тесно  связан с живым веществом. Сера в  виде трёхокиси (SO₃), двуокиси (SO₂), сероводорода (H₂S) и главным образом элементарной серы выбрасывается вулканами. Кроме того, в природе имеются в большом количестве различные сульфиды металлов: железа, свинца, цинка и др. Сульфидная сера окисляется в биосфере при участии многочисленных микроорганизмов до сульфатной серы (SO''₄) почв и водоёмов. Сульфаты поглощаются растениями. В организмах сера входит в состав аминокислот и белков, а у растений, кроме того, — в состав эфирных масел и т. д. Процессы разрушения остатков организмов в почвах и в илах морей сопровождаются очень сложными превращениями серы. При разрушении белков с участием микроорганизмов образуется сероводород, который далее окисляется либо до элементарной серы, либо до сульфатов. В этом процессе участвуют разнообразные микроорганизмы, создающие многочисленные промежуточные соединения серы. Известны месторождения серы биогенного происхождения. Сероводород может вновь образовать "вторичные" сульфиды, а сульфатная сера — залежи гипса. В свою очередь, сульфиды и гипс вновь подвергаются разрушению, и сера возобновляет свою миграцию. В целом всё вещество литосферы интенсивно подвергается превращениям, участвуя в так называемом малом и большом К. в. Под влиянием лучей Солнца, кислорода, углекислого газа, воды, живого вещества происходит разрушение вещества поверхности Земли. Продукты разрушения уносятся ветром или, будучи растворены в воде, сбрасываются в моря и океаны, где они осаждаются, откладываются на дне, уплотняются, цементируются, образуют слоистые осадочные породы, а затем под влиянием давления превращаются в кристаллические сланцы. Так, ежегодно выносится реками около 2,7·10⁹ т вещества. Этот К. в. на Земле называют малым (см. рис. 5).

В большом К. в. участвуют кристаллические  сланцы и др. породы, образующиеся в  процессе малого К. в. В результате дальнейшего  погружения они попадают в магматическую  область Земли, подвергаются действию давления и высокой температуры, переплавляются и в виде изверженных  магматических пород могут быть вновь вынесены на поверхность Земли. Изучение К. в. на Земле имеет не только познавательное значение, но и представляет глубокий практический интерес. Воздействие человека на природные процессы становится всё значительнее. Последствия этого воздействия стали сравнимы с результатами геологических процессов: в биосфере возникают новые пути миграции веществ и энергии, появляются многие тысячи химических соединений, прежде ей не свойственных. Создаются новые водные бассейны; тем самым меняется круговорот воды. В руках человека концентрируются огромные запасы металлов, фосфатов, серы, синтезируются колоссальные количества азотсодержащих веществ для удобрения полей и т. д. Меняется обычный ход геохимических процессов. Глубокое изучение всех природных превращений веществ на Земле — необходимое условие рационального воздействия человека на среду его обитания и изменения природных условий в желаемом для него направлении

Взаимосвязи существующие между растениями и экосистемой почвы 

Экосистемой называют совокупность продуцентов, консументов и детритофагов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей их средой посредством обмена веществом, энергией и информацией таким образом, что эта единая система сохраняет устойчивость в течение продолжительного времени.

Таким образом, для естественной экосистемы характерны три признака:

1. экосистема обязательно представляет собой совокупность живых и неживых компонентов;
2. в рамках экосистемы осуществляется полный цикл, начиная с создания органического вещества и заканчивая его разложением на неорганические составляющие;
3. экосистема сохраняет устойчивость в течение некоторого времени, что обеспечивается определенной структурой биотических и абиотических компонентов.

Примерами природных экосистем  являются озеро, лес, пустыня, тундра, суша, океан, биосфера.

Как видно из примеров, более  простые экосистемы входят в более сложно организованные. При этом реализуется иерархия организации систем, в данном случае экологических.

Таким образом, устройство природы  следует рассматривать как системное  целое, состоящее из вложенных одна в другую экосистем, высшей из которых  является уникальная глобальная экосистема - биосфера. В ее рамках происходит обмен  энергией и веществом между всеми  живыми и неживыми составляющими  в масштабах планеты. Грозящая всему  человечеству катастрофа состоит в  том, что нарушен один из признаков, которым должна обладать экосистема: биосфера как экосистема деятельностью  человека выведена из состояния устойчивости. В силу своих масштабов и многообразия взаимосвязей она не должна от этого  погибнуть, она перейдет в новое  устойчивое состояние, изменив при  этом свою структуру, прежде всего неживую, а вслед за ней неизбежно и  живую. Человек как биологический  вид меньше других имеет шанс приспособиться к новым быстро изменяющимся внешним  условиям и скорее всего исчезнет первым. Поучительным и наглядным тому примером является история острова Пасхи.

На одном из полинезийских  островов, носящем название острова  Пасхи, в результате сложных миграционных процессов в VII веке возникла замкнутая  изолированная от всего мира цивилизация. В благоприятном субтропическом климате она за сотни лет существования  достигла известных высот развития, создав само-бытную культуру и письменность, до наших дней не поддающуюся расшифровке. А в XVII веке она без остатка погибла, уничтожив вначале растительный и животный мир острова, а затем погубив себя в прогрессирующей дикости и каннибализме. У последних островитян не осталось уже воли и материала, чтобы построить спасительные "ноевы ковчеги" - лодки или плоты. В память о себе исчезнувшее сообщество оставило полупустынный остров с гигантскими каменными фигурами - свидетелями былого могущества.

Итак, экосистема является важнейшей  структурной единицей устройства окружающего  мира. Как видно из рис. 1 (см. приложение), основу экосистем составляют живое  вещество, характеризующееся биотической  структурой, и среда обитания, обусловленная  совокупностью экологических факторов. Рассмотрим их более подробно.

Биотичеся структура экосистем

Экосистема основана на единстве живого и неживого вещества. Суть этого  единства проявляется в следующем. Из элементов неживой природы, главным  образом молекул CO2 и H2O, под воздействием энергии солнца синтезируются органические вещества, составляющие все живое  на планете. Процесс создания органического  вещества в природе происходит одновременно с противоположным процессом - потреблением и разложением этого вещества вновь на исходные неорганические соединения. Совокупность этих процессов протекает  в рамках экосистем различных  уровней иерархии. Чтобы эти процессы были уравновешены, природа за миллиарды  лет отработала определенную структуру  живого вещества системы.

Движущей силой в любой  материальной системе служит энергия. В экосистемы она поступает главным  образом от Солнца. Растения за счет содержащегося в них пигмента хлорофилла улавливают энергию излучения Солнца и используют ее для синтеза основы любого органического вещества - глюкозы C6H12O6.

Кинетическая энергия  солнечного излучения преобразуется таким образом в потенциальную энергию, запасенную глюкозой. Из глюкозы вместе с получаемыми из почвы минеральными элементами питания - биогенами - образуются все ткани растительного мира - белки, углеводы, жиры, липиды, ДНК, РНК, то есть органическое вещество планеты.

Кроме растений продуцировать  органическое вещество могут некоторые  бактерии. Они создают свои ткани, запасая в них, как и растения, потенциальную энергию из углекислого  газа без участия солнечной энергии. Вместо нее они используют энергию, которая образуется при окислении  неорганических соединений, например, аммиака, железа и особенно серы (в  глубоких океанических впадинах, куда не проникает солнечный свет, но где в изобилии скапливается сероводород, обнаружены уникальные экосистемы). Это  так называемая энергия химического  синтеза, поэтому организмы называются хемосинтетиками.

Таким образом, растения и  хемосинтетики создают органическое вещество из неорганических составляющих с помощью энергии окружающей среды. Их называют продуцентами или автотрофами. Высвобождение запасенной продуцентами потенциальной энергии обеспечивает существование всех остальных видов живого на планете. Виды, потребляющие созданную продуцентами органику как источ-ник вещества и энергии для своей жизнедеятельности, называются консументами или гетеротрофами.

Консументы - это самые разнообразные организмы (от микроорганизмов до синих китов): простейшие, насекомые, пресмыкающиеся, рыбы, птицы и, наконец, млекопитающие, включая человека.

Консументы, в свою очередь, подразделяются на ряд подгрупп в соответствии с различиями в источниках их питания.

Животные, питающиеся непосредственно  продуцентами, называются первичными консументами или консументами первого порядка. Их самих употребляют в пищу вторичные консументы. Например, кролик, питающийся морковкой, - это консумент первого порядка, а лиса, охотящаяся за кроликом, - консумент второго порядка. Некоторые виды живых организмов соответствуют нескольким таким уровням. Например, когда человек ест овощи - он консумент первого порядка, говядину - консумент второго порядка, а употребляя в пищу хищную рыбу, выступает в роли консумента третьего порядка.

Первичные консументы, питающиеся только растениями, называются растительноядными или фитофагами. Консументы второго и более высоких порядков - плотоядные. Виды, употребляющие в пищу как растения, так и животных, относятся к всеядным, например, человек.

Мертвые растительные и животные остатки, например опавшие листья, трупы  животных, продукты систем выделения, называются детритом. Это органика! Существует множество организмов, спе-циализирующихся на питании детритом. Они называются детритофагами. Примером могут служить грифы, шакалы, черви, раки, термиты, муравьи и т.п. Как и в случае обычных консументов, различают первичных детритофагов, питающихся непосредственно детритом, вторичных и т. п.

Наконец, значительная часть  детрита в экосистеме, в частности  опавшие листья, валежная древесина, в своем исходном виде не поедается животными, а гниет и разлагается в процессе питания ими грибов и бактерий.

Поскольку роль грибов и  бактерий столь специфична, их обычно выделяют в особую группу детритофагов и называют редуцентами. Редуценты служат на Земле санитарами и замыкают биогеохимический круговорот веществ, разлагая органику на исходные неорганические составляющие - углекислый газ и воду.

Таким образом, несмотря на многообразие экосистем, все они  обладают структурным сходством. В  каждой из них можно выделить фотосинтезирующие  растения - продуценты, различные уровни консументов, детритофагов и редуцентов. Они и составляют биотическую структуру экосистем.

 Экологические фактор

Неживая и живая природа, окружающая растения, животных и человека, носит название среды обитания. Множество  отдельных компонентов среды, влияющих на организмы, называются экологическими факторами.

По природе происхождения  выделяют абиотические, биотические  и антропогенные факторы. Абиотические факторы - это свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы.

Биотические факторы - это  все формы воздействия живых  организмов друг на друга.

Раньше к биотическим  факторам относили и воздействие  человека на живые организмы, однако в настоящее время выделяют особую категорию факторов, порождаемых  человеком. Антропогенные факторы - это все формы деятельности человеческого  общества, которые приводят к изменению  природы как среды обитания и  других видов и непосредственно  сказываются на их жизни.

Таким образом, каждый живой  организм испытывает влияние неживой  природы, организмов других видов, в  том числе и человека, и, в свою очередь, оказывает воздействие  на каждую из этих составляющих.

Законы воздействия  экологических факторов на живые  организмы

Несмотря на многообразие экологических факторов и различную  природу их происхождения, существуют некоторые общие правила и  закономерности их воздействия на живые  организмы.

Для жизни организмов необходимо определенное сочетание условий. Если все условия среды обитания благоприятны, за исключением одного, то именно это  условие становится решающим для  жизни рассматриваемого организма. Оно ограничивает (лимитирует) развитие организма, поэтому называется лимитирующим фактором. Первоначально было установлено, что развитие живых организмов ограничивает недостаток какого-либо компонента, например, минеральных солей, влаги, света  и т.п. В середине XIX века немецкий химикорганик Юстас Либих первым экспериментально доказал, что рост растения зависит от того элемента питания, который присутствует в относительно минимальном количестве. Он назвал это явление законом минимума; в честь автора его еще называют законом Либиха.

В современной формулировке закон минимума звучит так: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических  потребностей. Однако, как выяснилось позже, лимитирующим может быть не только недостаток, но и избыток фактора, например, гибель урожая из-за дождей, перенасыщение почвы удобрениями  и т.п. Понятие о том, что наравне  с минимумом лимитирующим фактором может быть и максимум, ввел спустя 70 лет после Либиха американский зоолог В.Шелфорд, сформулировавший закон толерантности. Согласно закону толерантности лимитирующим фактором процветания популяции (организма) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, а диапазон между ними определяет величину выносливости (предел толерантности) или экологическую валентность организма к данному фактору.