Трофические цепи и трофические сети

2. Трофические цепи и трофические сети.

Живые организмы, входящие в состав биоценоза в экосистеме, неодинаковы с точки зрения специфики ассимиляции ими вещества и энергии. В отличие от растений и бактерий животные не способны к реакци­ям фото- и хемосинтеза, а вынуждены использовать солнечную анергию опосредованно — через органичес­кое вещество, созданное фото- и хемосинтетиками. Таким образом, в биоценозе образуется цепочка после­довательной передачи вещества и эквивалентной ему энергии от одних организмов к другим или так называемая трофическая цепь (от греческого “трофе” — питаюсь).

Поскольку растения строят свой организм без посредников, их называют самопитающимися, или автотрофами. Так как будучи автотрофами, они со­здают первичное органическое вещество из неорганического, они являются продуцентами. Организмы, которые не могут строить собственное вещество из минеральных компонентов, используют органику, созданную автотрофами, употребляя их в пищу. Их называют гетеротрофами, что означает “питаемый другими”, а также консументами (от лат. “консумо” — потребляю). Однако далеко не все организ­мы для удовлетворения своих физиологических потребностей ограничиваются потреблением растительной пищи, строя белки своего тела непосредственно из белков растений. Плотоядные животные используют животные белки со специфическим набором амино­кислот. Они тоже являются консументами, но, в отличие от растительноядных, — консументами вторичными, или второго порядка. Но и на этом трофическая цепь не всегда заканчивается, так как вторичный консумент может служить источником питания для консумента третьего порядка и т.д. Но в одной трофи­ческой цепи не бывает консументов выше пятого порядка вследствие рассеяния энергии.

В процессе питания на всех трофических уровнях появляются “отходы”. Зеленые растения ежегодно частично или полностью сбрасывают листья. Значи­тельная часть организмов по тем или иным причинам постоянно отмирает. В конечном итоге так или иначе созданное органическое вещество должно частично или полностью замениться. Эта замена происходит благодаря особому звену трофической цепи — редуцентами (от лат. “редукцио” — возврат). Эти организмы — преимущественно бактерии, грибы, простейшие, мел­кие беспозвоночные — в процессе жизнедеятельности разлагают органические остатки всех трофических уровней продуцентов и консументов до минеральных веществ. Минеральные вещества, а также диоксид углерода, выделяющийся при дыхании редуцентов, вновь возвращаются к продуцентам.

Разные уровни питания в экосистеме называют трофическими уровнями. Первый трофический уро­вень образуют продуценты, второй — первичные консументы, третий — вторичные консументы и так далее. Многие животные питаются более, чем на одном трофическом уровне, поедая как растения, так и пер­вичных консументов или как первичных консументов, так и вторичных. Таким образом, в экологической системе компоненты биоценоза выполняют различные экологические роли: фитоценоз автотрофен и состоит из продуцентов, в биоценоз входят гетеротрофные консументы пяти уровней и редуценты, в составе микробиоценоза — автотрофные хемосинтетики и гете­ротрофные редуценты. Но все они представляют собой звенья трофических цепей.

Разные трофические цепи, в свою очередь, связа­ны между собой общими звеньями, образуя очень сложную систему, называемую трофической сетью.

Трофическая цепь в биогеоценозе есть одновре­менно цепь энергетическая, т.е. последовательный упорядоченный поток передачи энергии Солнца от продуцентов ко всем остальным звеньям. Поток энергии через экосистему можно измерить в различных ее точках, установив тем самым, какое количество солнечной энергии содержится в органи­ческих веществах, образованных в процессе фотосинтеза; какую часть энергии, заключенной в рас­тительном материале, может использовать растительноядное животное; какую часть этой энергии успевает использовать растительноядное, прежде, чем его съедает плотоядное, и так далее, от одного трофи­ческого уровня к другому.

3. Антропогенная деятельность как источник помех.

В настоящее время на Земле практически не осталось экологических систем, не подверженных в той или иной мере влиянию человека. Влияние чело­века на экосистемы в процессе техногенеза весьма интенсивно, поскольку своей деятельностью он создает направленные помехи в механизмах естественной об­ратной связи. Они отличаются от естественных помех и неявляются инструментом отбора, поскольку в процессе эволюции организмы к ним не приспособи­лись и приспособиться, как правило, не успевают, за исключением видов, дающих десятки поколений в год (например, растительноядные клещи при постоянном воздействии ядохимикатов способны образовывать невосприимчивые к токсическому воздействию расы за счет отбора особей, наследственно устойчивых к данному веществу, иначе говоря — мутантов).

Отклонение от нормы некоторых параметров сре­ды в результате антропогенного воздействия зачастую выходят за пределы, отвечающие нормам реакции организмов на эти параметры. Так, применение герби­цидов (веществ, уничтожающих сорняки) вносит помехи в биогеоценоз в целом. Трава, являю­щаяся и продуцентом, и средообразователем, и источником энергии для последующих трофических звеньев, погибает под воздействием гербицидов. С ее гибелью исчезают экологические ниши насекомых. Все это прямо сказывается на их популяциях: наруша­ется режим обитания, питания, часть особей погибает, а оставшаяся часть оказывается в условиях, неблагоп­риятных для размножения, и возможность свободного и случайного обмена генетической информацией (пан-миксия) становится ограниченной. Наконец, и на уровне отдельной особи происходят необратимые изменения: часть насекомых гибнет из-за ядовитости гербицидов, часть оказывается к ним толерантной, а у части отме­чаются изменения в хромосомах (мутации), меняющие наследственность. В рассмотренном примере наблюда­ются разрывы в каналах обратной связи при передаче информации от особи к популяции, а от нее к биоцено­зу.

Применение ядохимикатов создает так называе­мые частичные помехи, которые разрушают лишь отдельные звенья в отдельных трофических и энерге­тических цепях, не разрушая пищевых сетей в целом. К полной деградации всей экологической системы они обычно не приводят. Выброс в атмосферу ксенобиотиков (чуждых окружающей среде веществ) или превышение есте­ственного уровня некоторых компонентов атмосферы меняет соотношение газов воздуха и создает помехи реакциям фотосинтеза, а в некоторых случаях просто убивает листву. Повышение содержания в поч­ве индустриальных райнов марганца, хрома, никеля, меди, кобальта, свинца снижает первичную продук­тивность. Подобные помехи ведут к разрушению экосистемы в целом, так как уничтожается основной трофический уровень — биопродуценты. В этом случае говорят о предельных помехах. Вырубка леса или распашка целинной степи полностью ликвидируют экосистемы и в лучшем случае приводит к возникновению на их месте новых, а в худшем — к эрозии почв.

За разрушением экосистем в конечном итоге может последовать и разрушение биосферы в целом или резкое снижение ее продуктивности. Вырубка лесов, эрозия почв, замещение ландшафтов горными выработками и урбанизация снижают общую биомас­су фотосинтетиков и нарушают непрерывность биотического круговорота на значительных террито риях. Помехи могут действовать не только быстро, но и постепенно, прерывая поток информации между отдельными звеньями пищевых цепей. С экологических позиций антропогенное загрязнение окружающей среды представляет собой комплекс помех в экосистемах. Бездействующих на потоки энергии и информации в пищевых (энергетических) цепях. Эти помехи не являются периодическими и часто превышают нормы реакции живых организмов, поэтому в отличие от естественных помех они ведут не к естественному отбору, а к массовой гибели организ­мов.

Загрязнение среды — сложный многообразный процесс. Отходы производства оказываются обычно там, где их раньше не было. Многие из них химически активны и способны взаимодействовать с молекулами, входящими в состав тканей живого организма.

Непосредственными объектами загрязнения (ак­цепторами) служат основные компоненты биотопа (местообитание биотического сообщества): атмосфера, гидросфера, литосфера. Косвенными объектами за­грязнения (жертвами) являются составляющие биоценоза — растения, животные, микроорганизмы.

Источники загрязнения весьма разнообразны: среди них промышленные предприятия, теплоэнерге­тический комплекс, транспортные и бытовые отходы, отходы животноводства, а также химические вещест­ва, намеренно вносимые человеком в экосистемы для защиты от вредителей, болезней и сорняков.

Среди ингредиентов загрязнений — тысячи хими­ческих веществ, особенно металлы и оксиды, токсины, аэрозоли. Загрязнителем может быть любой физичес­кий агент, химическое вещество и биологический вид (микроорганизмы), попадающие в окружающую среду или возникающие в ней в количествах, выходящих за рамки своей обычной концентрации — предельных ес­тественных колебаний или среднего природного фона в рассматриваемое время.

Различают антропогенные загрязнители, разру­шаемые биологическими процессами и неразрушаемые ими (стойкие). Первые входят в естественные кругово­роты веществ и поэтому быстро исчезают или подвергаются разрушению биологическими агентами. Вторые не входят в естественные круговороты и накап­ливаются в пищевых цепях и в биотопах.

Загрязнение означает не просто внесение в атмосферу, почву и воду тех или иных чуждых им компонен­тов. В любом случае воздействию подвергается биогеоценоз в целом. Кроме того, избыток или недоста­ток одних веществ в природной среде или просто присутствие в ней других веществ означает изменение режимов экологических факторов или их составов, отклоняющихся от требований экологической ниши того или иного организма (или звена в пищевой цепи). При этом нарушаются процессы обмена веществ, сни­жается интенсивность ассимиляции продуцентов, а значит, и продуктивность биоценоза в целом.

Итак, загрязнение окружающей среды есть вне­сение в экологическую систему (биогеоценоз) не свойственных ей живых или неживых компонентов или структурных изменений, прерывающих кругово­рот веществ, их ассимиляцию, поток энергии, вследствие чего экосистема разрушается или снижает свою продуктивность.

Отрицательное влияние изменения качества внеш­ней среды на метаболизм живых организмов получило название “экологической ловушки”. Наиболее ярки­ми примерами являются воздействие на физиологические процессы в организме человека метилртути (болезнь “Минамата”), а также влияние некоторых пестицидов.

В свое время создание высокоэффективного ядо­химиката для борьбы с вредителями растений — дихлордифенилтрихлорэтана (ДДТ) — было отмечено Нобелевской премией, поскольку его применение су­лило реальную возможность сохранять урожайность агроценозов и лесные насаждения. Мировое производ­ство ДДТ в течение почти 30 лет достигало ежегодно 100 тыс.т. Препараты ДДТ создавали помехи в экосис­темах для экономически вредных консументов и защищали урожаи. Но и сам препарат, и некоторые его примеси помимо токсичности для теплокровных жи­вотных, способны прогрессивно накапливаться в звеньях пищевых цепей. При содержании в воде пре­парата ДДТ в дозировке 0,0014 частей на миллион его содержание в планктоне составляет уже 5,0 частей на миллион, а в мышцах рыб — 221 часть, т.е. при прохождении его по трофической цепи происходит концентрирование более чем в 10 тыс. раз! Когда этот факт был установлен, практически все страны мира (за исключением Китая и некоторых других развиваю­щихся стран) подписали Конвенцию о запрещении производства и применения ДДТ.

Последствия загрязнения далеко не всегда ощу­щаются сразу. Скачкообразным проявлениям загрязнения нередко предшествуют скрытые. Важна своевременная косвенная индикация загрязнения в начальные моменты его воздействия.

Загрязнение — это не только выброс в природную среду вредных веществ. При отводе воды от систем охлаждения в естественные водоемы происходит изме­нение естественного режима температуры, т.е. тепловое загрязнение. В качестве загрязнения можно рассмат­ривать и отклонение от оптимальных параметров уровней шума, освещенности, радиоактивности.

В качестве системы помех следует рассматривать разрушение биогеоценозов при открытой добыче пол­езных ископаемых, регулировании водотоков, осушении, эрозии почв. Источником помех являются шахтные отвалы и терриконы, в которых идут сложные физико-химические процессы с выделением вред­ных веществ в атмосферу, воду и почву. Среди загрязнений выделяют механическое, химическое, физическое, биологическое, микробиоло­гическое. Механическое заключается в засорении среды агентами, оказывающими лишь механическое воздей­ствие без физико-химических последствий; химическое — в изменении естественных химических свойств сре­ды, в результате которого повышается среднемноголетнее колебание количества каких-либо веществ для рассматриваемого периода времени, или проникновение в среду веществ, нормально отсутству­ющих в ней или в концентрациях, превышающих норму.

Загрязнение физическое подразделяют на:

1)  тепловое (термальное), возникающее в результате повышения температуры среды главным образом в связи с промышленными выбросами нагретого возду­ха, отходящих газов и воды;

2)  световое — нарушение естественной освещенности местности в результате воздействия искусственных источников света, приво­дящее к аномалиям в жизни животных и растений, или снижения уровня естественной освещенности из-за задымленности нижних слоев атмосферы;

3)  шумовое, образующееся в результате увеличения интенсивности и повторяемости шумов сверх природного уровня;

4)  электромагнитное, появляющееся в результате из­менения электромагнитных свойств среды (от линий электропередачи, радио и телевидения, работы некото­рых промышленных установок и т.п.), приводящее к глобальным и локальным геофизическим аномалиям и изменениям в биологических структурах;

5)  радиоактивное,связанное с превышением естественного уровня содержания в среде радиоактивных веществ.

Биологическое и микробиологическое загряз­нение возникает случайно или в результате хозяйственной деятельности человека.

Все эти различные по происхождению и характе­ру воздействия факторы имеют один объединяющий их признак: они являются помехами в экологических системах и популяциях и ведут к одному и тому же результату — снижению продуктивности популяции, затем экосистемы в целом, а далее — к их распаду.

Рассматривая процесс загрязнения в широком смысле, с позиций теории помех, его можно классифи­цировать следующим образом:

— ингредиентное загрязнение как совокупность веществ, количественно или качественно чуждых ес­тественным биогеоценозам;

— параметрическое загрязнение, связанное с из­менением качественных параметров окружающей среды;

—           биоценотическое загрязнение, заключающееся в воздействии на состав и структуру популяций живых организмов;  

—           стациально-деструкционное загрязнение, представляющее собой изменение ландшафтов и эко­логических систем в процессе природопользования.

Последствия загрязнения среды кратко можно обозначить следующим образом:

1.   Загрязнение среды есть процесс нежелатель­ных потерь вещества, энергии, труда и средств, приложенных человеком к добыче и заготовке сырья и материалов, превращающихся в безвозвратные отходы, рассеиваемые в биосфере.

2.   Загрязнение имеет следствием необратимое разрушение как отдельных экологических систем, так и биосферы в целом, включая воздействие на физико-химические параметры среды.

3.   Вследствие загрязнения теряются плодород­ные земли, снижается продуктивность экологических систем и биосферы в целом.

4.   Загрязнение прямо или косвенно ведет к ухуд­шению физического и морального состояния человека как главной производительной силы общества.

5.   Защита окружающей среды от загрязнения — одна из ключевых задач в общей проблеме оптимиза­ции природопользования, сохранения качества среды для настоящего и будущих поколений людей.

Воздействие человека на биосферу на всех этапах его взаимодействия с природой служило источником помех. Первоначально оно сводилось к воздействию человека как биологического вида; затем наступил период сверхинтенсивной охоты без изменения экосис­тем, сменившийся изменением экосистем через естественно идущие процессы — пастьбу, усиление роста трав путем их выжигания и т.п. На следующем этапе изменение экосистем интенсифицировалось путем рас­пашки и широкой вырубки лесов. Наконец, современный период характеризуется глобальным из­менением всех экологических компонентов биосферы в целом. Воздействие человека на биосферу сводится к четырем основным формам:

1)  изменение структуры земной поверхности (рас­пашка степей, вырубка лесов, мелиорация, создание искусственных озер и морей и другие изменения режи­ма поверхностных вод и т.д.);

2)  изменение состава биосферы, круговорота и баланса слагающих ее веществ (изъятие ископае­мых, создание отвалов, выброс различных веществ в атмосферу и водные объекты, изменение влагооборота);

3)  изменение энергетического, в частности, тепло­вого баланса отдельных районов земного шара и всей планеты;

4)  изменения, вносимые в биоту в результате истребления некоторых видов, создание новых пород животных и сортов растений, перемещение их на новые места обитания.

В настоящее время человек эксплуатирует более 55% суши, использует около 13% речных вод, сводит леса в среднем до 18 млн.га в год. В результате застройки, горных работ, опустынивания и засоления теряется от 50 до 70 тыс.км² земель в год, при этом 15% всей мировой суши уже деградировало из-за вмешательства человека. При строительных и горных работах перемещается более 4 тыс.км³ породы в год, извлекается из недр Земли ежегодно 100 млрд.т руды, сжигается 7 млрд.т услов­ного топлива, выплавляется более 800 млн.т различных металлов, рассеивается на полях свыше 500 млн.т минеральных удобрений и более 4 млн.т ядохимика­тов, треть которых смывается поверхностными стоками в водоемы или задерживается в атмосфере. В настоящее время в практике используется до 500 тыс. химичес­ких соединений, из них около 40 тыс. обладают вредными для человека свойствами, а 12 тыс. токсич­ны.

Несовершенство современной технологии не поз­воляет полностью перерабатывать минеральное сырье. Большая его часть возвращается в природу в виде отходов. Готовая продукция составляет всего лишь 1 - 2% от используемого сырья, а все остальное идет в отходы, что свидетельствует о неразумном подходе к природным ресурсам. Ежегодно в биосферу поступает более 30 млрд.т отходов: бытовых и промышленных-жидких, твердых и газообразных, загрязняющих ат­мосферу, гидросферу и литосферу.

Похожие работы

Строение подземной гидросферы

Скачать

44125

0

4

... Гатальский, Н.К. Игнатович, А.А. Карцев, В.А. Кротова, Б.Ф. Маврицкий, Е.В. Пиннекер, А.И. Силин-Бекчурин, С.Н. Смирнов, В.А. Сулин, А.Е. Ходьков, С.А. Шагаянц. 1.2 Зона аэрации Строение подземной части гидросферы, количество воды, содержащееся в горных породах, и ее фазовое состояние в более широком смысле – распределение и движение различной воды определяются термодинамическими условиями ...

Охрана окружающей среды: атмосфера, гидросфера, литосфера Севастополя

Скачать

90074

1

0

... ; Морского отделения Украинского научно-исследовательского гидрометеорологического института МЧС Украины – субъекта системы государственного мониторинга окружающей природной среды; заключения – Государственного управления охраны окружающей природной среды в г. Севастополе Минприроды Украины; Государственной экологической инспекции в г. Севастополе Минприроды Украины; Института биологии южных морей ...

Атмосфера Земли

Скачать

35779

1

0

... - протонов. За пределами атмосферы находятся радиационные пояса Земли. Систему частиц, захваченных магнитным полем нашей планеты и движущихся вдоль его силовых линий, принято называть магнитосферой Земли. Строение атмосферы Название слоя Высота верхней границы Характеристика слоя Тропосфера 8—10 км в полярных, 10— 12 км в умеренных и 16—18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом ...

Концепции современного естествознания

Скачать

193965

3

0

... достигает 80%. Благодаря катализу существенно повысилась эффективность экономики химической промышленности, поскольку ускорение химических реакций заметно влияет на снижение издержек производства. 26. Биология в современном естествознании. Характеристика «образов» биологии (традиционная, физико-химическая, эволюционная)   Биология - это наука о живом, его строении, формах его активности, его ...