Биогеохимические круговороты веществ на Земле. Свойства живого вещества

 

Вильямс выделил 2 типа круговоротов веществ на Земле:

1) Большой или геологический круговорот:

- круговорот веществ, происходящий без участия живых организмов.

Пример: круговорот воды – перемещение воды между мировым океаном и сушей, движущей силой которого является тепловая энергия Солнца. Заключается в испарении воды с поверхности мирового океана, выпадении ее на сушу в виде осадков и обратный сток в океан. Полный круговорот воды на Земле – 2 млн. лет.

2) Малый или биологический круговорот:

- круговорот биогенных элементов, движущей силой которого являются живые организмы.

Пример: круговорот углерода:

СО₂ атмосферы → фотосинтез → С органических соединений растений (первичная продукция) → С органических соединений животных (вторичная продукция) → деструкция мертвого органического вещества редуцентами → СО₂ атмосферы.

Таким образом, особая роль в круговороте биогенных элементов принадлежит зеленым растениям, т.к. они, являясь фотосинтезирующими организмами, служат посредниками между солнечной космической энергией и живым веществом Земли. Если бы не было растений, солнечная энергия тратилась бы лишь на нагревание планеты и перемещение воздушных масс. Энергия бы не задерживалась на Земле и, тем более, не производила бы никакой работы, которую она производит в виде сложных органических молекул. Взаимосвязь между приходящей солнечной энергией и энергией первичного органического вещества выражается количественно. Количество сухого органического вещества приближается к 150 млрд. тонн.

По Вернадскому, биосфера – открытая термодинамическая система, которая аккумулирует и перераспределяет огромные по масштабам величины химических элементов, вовлекая их в биологический оборот.

Свойства живого вещества.

1) Живое вещество характеризуется заключенной в нем огромной энергией, способной производить работу.

2) Скорость протекания химических реакций благодаря ферментам в 1000 и млн. раз быстрее, чем при производстве веществ химическими методами.

3) Индивидуальные химические соединения, входящие в состав живого вещества, устойчивы только в живых организмах.

4) Живому веществу присуща подвижность 2 типов:

а) пассивная – создается ростом живых организмов и их размножением; присуща всем царствам;

б) активная – осуществление направленных перемещений (животные, некоторые бактерии.

Благодаря разным формам движений живое вещество заполняет собой все возможное пространство – давление жизни.

5) Живое вещество более разнообразно и морфологически и биохимически, чем неживое. Минеральных соединений известно всего около 3 тыс., а одних белков возможно 20²⁰.

6) Живое вещество в биосфере представлено в виде дисперсных тел – индивидуальных организмов, размеры которых колеблются от 20 нм до 100м.

7) Будучи дисперсным, живое вещество никогда не находится на Земле в виде отдельных популяций, оно всегда представлено биоценозами, между членами которых существуют определенные формы взаимоотношений (чаще – пищевые).

8) Живое вещество на Земле существует в форме непрерывного чередования поколений, что способствует его обновлению и эволюции.

9) Живое вещество способно к эволюционному процессу, что предотвращает простое копирование предыдущих особей и повышает приспосабливаемость организмов к меняющимся условиям среды.

10) Живое вещество в отличие от неживого постоянно производит работу.

 

Билет 20

13. Динамические характеристики популяции

Динамические (временные) – характеризуют процессы, протекающие в популяции за некоторый промежуток времени: рождаемость, смертность, скорость роста.

1. Рождаемость – число особей рождённых в популяции за некоторый промежуток времени (час, день, месяц, год).Характеризует скорость естественного восполнения популяции за счет размножения. Различают следующие виды рождаемости:

а) Максимальная рождаемость (физиологическая) – теоретический максимум скорости образования новых особей в идеальных условиях среды. Она связана с понятием биотический потенциал – время захвата видом всей поверхности Земли при условии 100% выживаемости потомства.

Пример: для бактерий – 1 сутки, для водорослей – 16 суток, для мухи – 366 суток, для слона – 376000 суток.

В реальных условиях максимальная рождаемость невозможна, так как лишь небольшая доля особей доживает до репродуктивного возраста.

б) Экологическая (реализованная) рождаемость – увеличение численности популяции при фактических специфических условиях среды.

Она бывает 2-х типов:

- абсолютная рождаемость – число особей родившихся за определённое время в популяции.

Пример: в городе 100000 населения, родилось 8000 новорожденных, следовательно, абсолютная рождаемость = 8000 тысяч человек в год.

- удельная рождаемость – число особей родившихся за определённое время, рассчитанных на одну особь в популяции.

Пример: удельная рождаемость для этого же города – 0,08 (8%).

2. Смертность – количество особей, погибших в популяции за определенный период.

Смертность изменяется в зависимости от условий среды, возраста и состояния популяции и выражается чаще в виде относительной величины – доли особей (от исходного количества), погибших за определенное время. Смертность может быть минимальной и экологической (реализованной). Минимальная смертность представляет собой гибель особей в идеальных для популяции условиях существования (в отсутствие ограничивающих факторов). Экологическая смертность – это гибель особей в реальных условиях существования.

Существует 3 типа смертности, которым соответствуют определенные кривые выживаемости (рисунок):

Кривая I типа свойственна организмам, смертность которых на протяжении всей жизни незначительна, но возрастает в ее конце. Идеальная кривая для выживаемости популяции, в которой лишь старение служит главным фактором, влияющим на смертность (например, популяции лабораторных животных в идеальных условиях, люди в развитых странах, некоторые крупные млекопитающие) Это так называемая «кривая дрозофилы».

Кривая II типа характерна для видов, у которых смертность остается примерно постоянной в течение всей жизни. Это могут быть растущие популяции в оптимальных условиях среды (например, популяции высокоорганизованных птиц, млекопитающих). Это «кривая гидры».

Кривая III типа отражает массовую гибель особей в начальный период жизни, причем смертность постоянна в течение всей жизни организмов. Главный фактор, определяющий смертность, – случай («популяция стеклянных стаканов в кафетерии»). Такая кривая характерна для большинства популяций растений и животных (например, многие рыбы, беспозвоночные, растения и другие организмы, не заботящиеся о потомстве, и выживающие за счет огромного количества икринок, личинок, семян и т.п.). Это «кривая устрицы».

Рисунок – Кривые выживаемости

 

Изучение смертности имеет важное значение для определения степени уязвимости популяций вредителей народного хозяйства.

3. Скорость роста популяции – это изменение численности популяции в единицу времени. Она может быть либо положительной, либо нулевой, либо отрицательной и зависит от показателей рождаемости, смертности и миграции особей. Различают абсолютную и удельную скорость роста популяции:

а) абсолютная (общая) скорость роста – выражается изменением численности популяции за промежуток времени;

б) удельная скорость роста – отношение скорости роста к исходной численности.

Скорость роста может быть выражена в виде кривой роста популяции (рисунок).

 

Рисунок – Кривые роста популяции

 

Существует две основные модели роста популяции:

- J-образная кривая – отражает неограниченный экспоненциальный рост численности популяции, не зависящий от плотности популяции. Подобный рост популяций иногда наблюдается в природе: «цветение» воды в результате бурного развития фитопланктона, вспышка массового размножения некоторых вредителей, рост бактерий в свежей культуре. Однако это происходит непродолжительное время, так как после превышения емкости среды неизбежно произойдет резкое снижение численности.

- S-образная (сигмоидная, логистическая) кривая – отражает логистический тип роста в реальных экологических условиях, зависящего от плотности популяции, при котором скорость роста популяции снижается по мере роста численности (плотности). Сначала рост популяции невелик, но затем он нарастает, но через некоторое время замедляется и выходит на плато (рисунок).