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Die Rolle lebender Organismen in der Biosphäre. Die Rolle der lebenden Materie in der Biosphäre Das Hauptaugenmerk in der Lehre von der Biosphäre

Frage 1. Welchen Einfluss haben lebende Organismen auf die Biosphäre?
Lebewesen tragen zum Transport und zur Zirkulation von Stoffen in der Natur bei. Dank der Aktivität der Photosynthese verringerte sich die Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre, es entstand Sauerstoff und es bildete sich eine schützende Ozonschicht. Die Aktivität lebender Organismen bestimmt die Zusammensetzung und Struktur des Bodens (Verarbeitung organischer Rückstände durch Zersetzer) und schützt ihn vor Erosion. Tiere und Pflanzen bestimmen zu einem großen Teil auch den Gehalt verschiedener Stoffe in der Hydrosphäre (insbesondere in kleinen Gewässern). Einige Organismen sind in der Lage, bestimmte chemische Elemente – Silizium, Kalzium, Jod, Schwefel usw. – selektiv aufzunehmen und anzureichern. Das Ergebnis der Aktivität von Lebewesen sind Ablagerungen von Kalkstein, Eisen- und Manganerzen, Öl-, Kohle- und Gasreserven.

Frage 2. Erzählen Sie uns etwas über den Wasserkreislauf in der Natur.
Unter dem Einfluss der Sonnenenergie verdunstet Wasser von der Oberfläche von Stauseen und wird durch Luftströmungen über weite Strecken transportiert. Wenn es in Form von Niederschlägen auf die Erdoberfläche fällt, trägt es zur Zerstörung von Gesteinen bei und macht die Mineralien, aus denen es besteht, für Pflanzen, Mikroorganismen und Tiere verfügbar. Es erodiert die obere Bodenschicht und hinterlässt diese mitsamt den darin gelösten Stoffen. Chemische Komponenten und suspendierte organische und anorganische Partikel in die Meere und Ozeane. Die Wasserzirkulation zwischen Ozean und Land ist das wichtigste Glied für die Erhaltung des Lebens auf der Erde.
Pflanzen nehmen auf zwei Arten am Wasserkreislauf teil: Sie entziehen dem Boden Wasser und verdunsten es in die Atmosphäre; Ein Teil des Wassers in Pflanzenzellen wird bei der Photosynthese abgebaut. Dabei wird Wasserstoff in Form organischer Verbindungen fixiert und Sauerstoff gelangt in die Atmosphäre.
Tiere verbrauchen Wasser, um das osmotische und Salzgleichgewicht im Körper aufrechtzuerhalten, und scheiden es aus Außenumgebung zusammen mit Stoffwechselprodukten.

Frage 3. Welche Organismen nehmen Kohlendioxid aus der Atmosphäre auf?
Kohlendioxid aus der Atmosphäre wird von photosynthetischen Organismen aufgenommen, die es aufnehmen und in Form organischer Verbindungen (hauptsächlich Glukose) speichern. Kohlendioxid aus der Atmosphäre wird von photosynthetischen Organismen aufgenommen, die es aufnehmen und in Form organischer Verbindungen (hauptsächlich Glukose) speichern. Darüber hinaus löst sich ein Teil des atmosphärischen Kohlendioxids im Wasser der Meere und Ozeane und kann dann in Form von Kohlensäureionen von Tieren eingefangen werden – Weichtieren, Korallen, Schwämmen, die Karbonate zum Aufbau von Muscheln und Skeletten verwenden. Das Ergebnis ihrer Aktivität kann die Bildung von Sedimentgesteinen (Kalkstein, Kreide usw.) sein.

Frage 4: Beschreiben Sie die Art und Weise, wie fixierter Kohlenstoff in die Atmosphäre zurückgeführt wird.
Kohlenstoff gelangt durch seine Fixierung im Prozess der Photosynthese in die Biosphäre. Die Menge des von Pflanzen jährlich gebundenen Kohlenstoffs wird auf 46 Milliarden Tonnen geschätzt. Ein Teil davon gelangt in den Körper von Tieren und wird durch die Atmung in Form freigesetzt von CO 2, das wieder in die Atmosphäre gelangt. Darüber hinaus werden die Kohlenstoffreserven in der Atmosphäre durch vulkanische Aktivität und die Verbrennung fossiler Brennstoffe durch den Menschen wieder aufgefüllt. Obwohl der Großteil des in die Atmosphäre gelangenden Kohlendioxids vom Ozean absorbiert und als Karbonate abgelagert wird, nimmt der CO2-Gehalt in der Luft langsam, aber stetig zu.

Frage 5. Welche Faktoren beeinflussen neben den Aktivitäten lebender Organismen den Zustand unseres Planeten?
Neben der Aktivität lebender Organismen beeinflussen abiotische Faktoren den Zustand unseres Planeten: die Bewegung von Lithosphärenplatten, vulkanische Aktivität, Flüsse und Meeresbrandung, Klimaphänomene, Dürren, Überschwemmungen und andere natürliche Prozesse. Einige von ihnen wirken sehr langsam; andere sind in der Lage, den Zustand einer großen Anzahl von Ökosystemen fast augenblicklich zu verändern (großflächiger Vulkanausbruch; ein starkes Erdbeben, begleitet von einem Tsunami; Waldbrände; der Fall eines großen Meteoriten).

Frage 6. Wer hat den Begriff „Noosphäre“ erstmals in die Wissenschaft eingeführt?
Noosphäre (von griechisch noos – Geist) ist ein Konzept, das den Bereich der Interaktion zwischen Natur und Mensch bezeichnet; Dies ist ein evolutionärer neuer Zustand der Biosphäre, in dem die rationale Aktivität des Menschen zum entscheidenden Faktor für ihre Entwicklung wird. Der Begriff „Noosphäre“ wurde erstmals 1927 von den französischen Wissenschaftlern Edouard Leroy (1870-1954) und Pierre Teilhard de Chardin (1881-1955) in die Wissenschaft eingeführt.

Zusammenfassung zum Thema:

Einführung

Der biologische Kreislauf ist ein Phänomen kontinuierlicher Natur, zyklisch, regelmäßig, aber zeitlich und räumlich nicht einheitlich, die Umverteilung von Stoffen, Energie und Informationen innerhalb ökologischer Systeme verschiedener hierarchischer Organisationsebenen – von der Biogeozänose bis zur Biosphäre. Die Zirkulation von Stoffen auf der Skala der gesamten Biosphäre wird als großer Kreis und innerhalb einer bestimmten Biogeozänose als kleiner Kreis des biotischen Austauschs bezeichnet.

Akademiker V.I. Wernadskij war der erste, der die These über die wichtigste Rolle lebender Organismen bei der Bildung und Aufrechterhaltung der grundlegenden physikalischen und chemischen Eigenschaften der Erdhüllen aufstellte. In seinem Konzept wird die Biosphäre nicht nur als ein vom Leben eingenommener Raum betrachtet, sondern als integrales Funktionssystem, auf dessen Ebene die untrennbare Verbindung geologischer und biologischer Prozesse verwirklicht wird. Die Haupteigenschaften des Lebens, die diese Verbindung gewährleisten, sind die hohe chemische Aktivität lebender Organismen, ihre Mobilität und die Fähigkeit zur Selbstreproduktion und Entwicklung. Für die Erhaltung des Lebens als planetarisches Phänomen ist die Vielfalt seiner Formen, die sich in der Menge der verbrauchten Stoffe und in die Umwelt freigesetzten Abfallprodukte unterscheiden, von größter Bedeutung. Die biologische Vielfalt ist die Grundlage für die Bildung stabiler biogeochemischer Stoff- und Energiekreisläufe in der Biosphäre der Erde.

Fragen zur Rolle lebender Organismen im kleinen Kreislauf wurden von Wissenschaftlern und Lehrern wie Nikolaikin N.I., Shilov I.A., Melekhova O.P. untersucht. usw.

1. Die Rolle lebender Organismen im biologischen Kreislauf

Eine besondere Eigenschaft des Lebens ist der Stoffaustausch mit der Umwelt. Jeder Organismus muss bestimmte Stoffe aus der äußeren Umgebung als Energie- und Materialquellen für den Aufbau seines eigenen Körpers erhalten. Stoffwechselprodukte, die für eine weitere Verwendung nicht mehr geeignet sind, werden herausgeholt. Somit verschlechtert jeder Organismus oder eine Gruppe identischer Organismen im Laufe seiner Lebensaktivität die Bedingungen seines Lebensraums. Die Möglichkeit des umgekehrten Prozesses – die Erhaltung der Lebensbedingungen oder sogar deren Verbesserung – wird dadurch bestimmt, dass die Biosphäre von verschiedenen Organismen mit unterschiedlichen Stoffwechselarten bewohnt wird.

In seiner einfachsten Form wird eine Reihe qualitativer Lebensformen durch Produzenten, Konsumenten und Zersetzer repräsentiert, deren gemeinsame Aktivität die Extraktion bestimmter Substanzen aus der Umwelt, deren Umwandlung auf verschiedenen Ebenen der trophischen Ketten und die Mineralisierung organischer Stoffe in verfügbare Komponenten gewährleistet für die nächste Aufnahme in den Kreislauf (Grundelemente, die entlang der Ketten des biologischen Kreislaufs wandern – Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Kalium, Phosphor, Schwefel usw.).

Produzenten sind lebende Organismen, die zur Synthese fähig sind organische Substanz aus anorganischen Bestandteilen mithilfe externer Energiequellen. (Beachten Sie, dass die Gewinnung von Energie von außen eine allgemeine Voraussetzung für das Leben aller Organismen ist; in Bezug auf Energie sind alle biologischen Systeme offen.) Sie werden auch Autotrophen genannt, da sie sich selbst mit organischer Substanz versorgen. In natürlichen Gemeinschaften erfüllen Produzenten die Funktion von Produzenten organischer Stoffe, die sich in den Geweben dieser Organismen ansammeln. Organisches Material dient auch als Energiequelle für Lebensprozesse; Externe Energie wird nur für die Primärsynthese verwendet.

Alle Produzenten werden je nach Art der Energiequelle für die Synthese organischer Stoffe in Photoautotrophe und Chemoautotrophe unterteilt. Erstere nutzen die Energie der Sonnenstrahlung zur Synthese im Teil des Spektrums mit einer Wellenlänge von 380-710 nm. Dabei handelt es sich hauptsächlich um Grünpflanzen, aber auch Vertreter einiger anderer Reiche der organischen Welt sind zur Photosynthese fähig. Unter ihnen sind Cyanobakterien (blaugrüne „Algen“) von besonderer Bedeutung, die offenbar die ersten Photosynthetiker in der Entwicklung des Lebens auf der Erde waren. Auch viele Bakterien sind zur Photosynthese fähig, nutzen jedoch ein spezielles Pigment – Bakteriochlorin – und geben bei der Photosynthese keinen Sauerstoff ab. Die wichtigsten Ausgangsstoffe für die Photosynthese sind Kohlendioxid und Wasser (die Grundlage für die Synthese von Kohlenhydraten) sowie Stickstoff, Phosphor, Kalium und andere Elemente der mineralischen Ernährung.

Durch die Bildung organischer Substanzen auf der Grundlage der Photosynthese binden Photoautotrophe somit die genutzte Sonnenenergie, als ob sie sie speichern würden. Die anschließende Zerstörung chemischer Bindungen führt zur Freisetzung dieser „gespeicherten“ Energie. Dies gilt nicht nur für die Nutzung fossiler Brennstoffe; Die im Pflanzengewebe „gespeicherte“ Energie wird in Form von Nahrung entlang trophischer Ketten übertragen und dient als Grundlage für Energieflüsse, die den biogenen Stoffkreislauf begleiten.

Chemoautotrophe nutzen die Energie chemischer Bindungen bei der Synthese organischer Stoffe. Zu dieser Gruppe gehören nur Prokaryoten: Bakterien, Archaebakterien und teilweise Blaugrüne. Bei der Oxidation mineralischer Stoffe wird chemische Energie freigesetzt. Exotherme oxidative Prozesse werden von nitrifizierenden Bakterien (Oxidation von Ammoniak zu Nitriten und dann zu Nitraten), Eisenbakterien (Oxidation von Eisen(II) zu Oxid) und Schwefelbakterien (Schwefelwasserstoff zu Sulfaten) genutzt. Als Substrat für die Oxidation werden auch Methan, CO und einige andere Stoffe verwendet.

Bei aller Vielfalt spezifischer Formen autotropher Produzenten ist ihre allgemeine biosphärische Funktion eine und besteht darin, Elemente der unbelebten Natur in die Zusammensetzung von Körpergeweben und damit in den allgemeinen biologischen Kreislauf einzubeziehen. Die Gesamtmasse der autotrophen Produzenten beträgt mehr als 95 % der Masse aller lebenden Organismen in der Biosphäre.

Verbraucher. Lebewesen, die nicht in der Lage sind, ihren Körper auf der Grundlage der Verwendung anorganischer Stoffe aufzubauen, sondern die Aufnahme organischer Stoffe von außen als Teil der Nahrung erfordern, gehören zur Gruppe der heterotrophen Organismen, die sich von durch Photosynthese synthetisierten Produkten ernähren. oder Chemosynthetika. Auf die eine oder andere Weise aus der äußeren Umgebung gewonnene Nahrung wird von Heterotrophen zum Aufbau ihres eigenen Körpers und als Energiequelle für verschiedene Lebensformen verwendet. Somit nutzen Heterotrophe die von Autotrophen gespeicherte Energie in Form chemischer Bindungen der von ihnen synthetisierten organischen Substanzen. Im Stofffluss im Kreislauf nehmen sie die Ebene der Konsumenten ein, die zwangsläufig mit autotrophen Organismen (Konsumenten 1. Ordnung) oder mit anderen Heterotrophen, von denen sie sich ernähren (Konsumenten 2. Ordnung), assoziiert sind.

Die allgemeine Bedeutung der Verbraucher im Stoffkreislauf ist eigenartig und unklar. Sie sind im direkten Zirkulationsprozess nicht notwendig: Künstliche geschlossene Modellsysteme, bestehend aus Grünpflanzen und Bodenmikroorganismen, können in Gegenwart von Feuchtigkeit und Mineralsalzen auf unbestimmte Zeit existieren. lange Zeit durch Photosynthese, Zerstörung von Pflanzenresten und Einbeziehung freigesetzter Elemente in einen neuen Zyklus. Dies ist jedoch nur unter stabilen Laborbedingungen möglich. In einer natürlichen Umgebung steigt die Wahrscheinlichkeit, dass solche einfachen Systeme aus vielen Gründen sterben. Die „Garanten“ der Stabilität des Kreislaufs sind in erster Linie die Verbraucher.

Heterotrophe zersetzen im Rahmen ihres eigenen Stoffwechsels die in der Nahrung enthaltenen organischen Stoffe und bauen auf dieser Grundlage die Stoffe ihres eigenen Körpers auf. Die Umwandlung von Substanzen, die hauptsächlich von Autotrophen produziert werden, in Konsumorganismen führt zu einer Erhöhung der Vielfalt lebender Materie. Vielfalt ist eine notwendige Voraussetzung für die Stabilität jedes kybernetischen Systems vor dem Hintergrund äußerer und innerer Störungen. Lebende Systeme – vom Organismus bis zur gesamten Biosphäre – funktionieren nach dem kybernetischen Prinzip. Rückmeldung.

Tiere, die den Großteil der Konsumorganismen ausmachen, zeichnen sich durch Mobilität aus, die Fähigkeit, sich aktiv im Raum zu bewegen. Dadurch beteiligen sie sich effektiv an der Migration lebender Materie, ihrer Ausbreitung über die Oberfläche des Planeten, was einerseits die räumliche Ansiedlung von Leben anregt und andererseits als eine Art „Garantiemechanismus“ dient „im Falle der Zerstörung von Leben an irgendeinem Ort aus verschiedenen Gründen. .

Ein Beispiel für eine solche „Raumgarantie“ ist die bekannte Katastrophe auf etwa. Krakatau: Durch den Vulkanausbruch im Jahr 1883 wurde das Leben auf der Insel völlig zerstört, erholte sich jedoch innerhalb von nur 50 Jahren – etwa 1200 Arten wurden registriert. Die Besiedlung erfolgte hauptsächlich auf Kosten von Java, Sumatra und den Nachbarinseln, die von der Eruption nicht betroffen waren, von wo aus Pflanzen und Tiere auf unterschiedliche Weise die mit Asche und gefrorenen Lavaströmen bedeckte Insel neu besiedelten. Gleichzeitig erschienen erstmals (nach drei Jahren) Filme von Cyanobakterien auf vulkanischem Tuffstein und Asche. Der Prozess der Gründung nachhaltiger Gemeinschaften auf der Insel geht weiter; Waldzählungen befinden sich noch im Anfangsstadium der Sukzession und sind in ihrer Struktur stark vereinfacht.

Schließlich ist die Rolle der Verbraucher, vor allem der Tiere, als Regulatoren der Intensität des Stoff- und Energieflusses entlang der trophischen Ketten äußerst wichtig. Die Fähigkeit, Biomasse und die Geschwindigkeit ihrer Veränderung auf der Ebene von Ökosystemen und Populationen aktiv selbst zu regulieren bestimmte Typen wird letztendlich in der Form der Aufrechterhaltung der Korrespondenz zwischen den Entstehungs- und Zerstörungsraten organischer Materie in den globalen Kreislaufsystemen verwirklicht. An einem solchen Regulierungssystem sind nicht nur Verbraucher beteiligt, sondern letztere (insbesondere Tiere) zeichnen sich durch die aktivste und schnellste Reaktion auf etwaige Störungen im Biomassegleichgewicht benachbarter trophischer Ebenen aus.

Grundsätzlich funktioniert das System zur Regulierung des Stoffflusses im biogenen Kreislauf, basierend auf der Komplementarität der ökologischen Kategorien lebender Organismen, aus denen dieses System besteht, nach dem Prinzip der abfallfreien Produktion. Aufgrund der großen Komplexität der zusammenwirkenden Prozesse und der sie beeinflussenden Faktoren kann dieses Prinzip jedoch im Idealfall nicht eingehalten werden. Das Ergebnis der Verletzung der Vollständigkeit des Kreislaufs waren die Ablagerungen von Öl, Kohle, Torf und Sapropeln. Alle diese Stoffe tragen die ursprünglich bei der Photosynthese gespeicherte Energie. Ihre Nutzung durch den Menschen ist sozusagen die „zeitverzögerte“ Vollendung der Zyklen des biologischen Kreislaufs.

Reduzierstücke. Zu dieser ökologischen Kategorie gehören heterotrophe Organismen, die abgestorbene organische Stoffe (Leichen, Kot, Pflanzenabfälle usw.) als Nahrung verwenden und diese im Stoffwechselprozess in anorganische Bestandteile zerlegen.

Eine teilweise Mineralisierung organischer Substanzen kommt in allen lebenden Organismen vor. Beim Atmen wird also CO2 freigesetzt, Wasser, Mineralsalze, Ammoniak usw. werden aus dem Körper ausgeschieden. Als echte Zersetzer, die den Kreislauf der Zerstörung organischer Stoffe vervollständigen, sollten daher nur solche Organismen betrachtet werden, die nur anorganische Stoffe in die äußere Umgebung abgeben, die bereit sind, in einen neuen Kreislauf einbezogen zu werden.

Zur Kategorie der Zersetzer zählen viele Arten von Bakterien und Pilzen. Aufgrund ihres Stoffwechsels sind sie reduzierende Organismen. So reduzieren entglasende Bakterien Stickstoff in seinen elementaren Zustand, während sulfatreduzierende Bakterien Schwefel zu Schwefelwasserstoff reduzieren. Die Endprodukte der Zersetzung organischer Substanzen sind Kohlendioxid, Wasser, Ammoniak und Mineralsalze. Unter anaeroben Bedingungen geht die Zersetzung weiter – zu Wasserstoff; Es entstehen auch Kohlenwasserstoffe.

Der gesamte Zyklus der Reduzierung organischer Stoffe ist komplexer und umfasst eine größere Anzahl von Teilnehmern. Es besteht aus einer Reihe aufeinanderfolgender Verbindungen, in deren Folge verschiedene zerstörende Organismen nach und nach organische Substanzen zunächst in einfachere Formen und erst danach durch die Wirkung von Bakterien und Pilzen in anorganische Bestandteile umwandeln.

Organisationsebenen lebender Materie. Die gemeinsame Tätigkeit von Produzenten, Konsumenten und Zersetzern bestimmt die kontinuierliche Aufrechterhaltung des globalen biologischen Stoffkreislaufs in der Biosphäre der Erde. Dieser Prozess wird durch die regelmäßigen Beziehungen der räumlichen und funktionalen Teile, aus denen die Biosphäre besteht, unterstützt und durch ein spezielles System von Verbindungen bereitgestellt, die als Mechanismus für die Homöostase der Biosphäre fungieren und so ihre stabile Funktion vor dem Hintergrund sich verändernder äußerer und äußerer Einflüsse aufrechterhalten interne Faktoren. Daher kann die Biosphäre als globales Ökosystem betrachtet werden, das die nachhaltige Erhaltung des Lebens in seiner planetarischen Erscheinungsform gewährleistet.

Jedes biologische (einschließlich ökologische) System zeichnet sich durch eine spezifische Funktion, geordnete Beziehungen der Teile (Subsysteme), aus denen das System besteht, und auf diesen Wechselwirkungen basierende Regulierungsmechanismen aus, die die Integrität und Stabilität des Systems vor dem Hintergrund schwankender äußerer Einflüsse bestimmen Bedingungen. Aus dem oben Gesagten wird deutlich, dass die Biosphäre in ihrer Struktur und Funktion dem Konzept eines biologischen (ökologischen) Systems entspricht.

Auf der Ebene der gesamten Biosphäre erfolgt eine universelle funktionale Verbindung der lebenden Materie mit der unbelebten Natur. Seine strukturellen und funktionellen Komponenten (Subsysteme), auf deren Ebene bestimmte Kreisläufe des biologischen Kreislaufs ablaufen, sind Biogeozänosen (Ökosysteme).

2. Kleiner Stoffkreislauf in der Biosphäre

Biologischer (biogeochemischer) Kreislauf (kleiner Stoffkreislauf in der Biosphäre) – der Stoffkreislauf, dessen treibende Kraft die Aktivität lebender Organismen ist. Der biogeochemische Stoffkreislauf findet innerhalb der Biosphäre statt. Die Hauptenergiequelle des Kreislaufs ist die Sonnenstrahlung, die die Photosynthese erzeugt. In einem Ökosystem werden organische Substanzen durch Autotrophe aus anorganischen Substanzen synthetisiert. Es wird dann von Heterotrophen verzehrt. Durch die Ausscheidung während der Lebensaktivität oder nach dem Absterben von Organismen unterliegen organische Stoffe einer Mineralisierung, d.h. Umwandlung in anorganische Stoffe. Diese anorganischen Stoffe können für die Synthese organischer Stoffe durch Autotrophe wiederverwendet werden.

Bei biogeochemischen Kreisläufen sind zwei Teile zu unterscheiden:

1. Ein Reservefonds ist ein Teil eines Stoffes, der nicht mit lebenden Organismen verbunden ist;

2. Austauschfonds – ein viel kleinerer Teil einer Substanz, der durch direkten Austausch zwischen Organismen und ihren Organismen verbunden ist direkte Umgebung.

Je nach Standort des Reservefonds können biogeochemische Kreisläufe in zwei Typen unterteilt werden:

1. Gaskreisläufe mit einem Reservefonds an Stoffen in der Atmosphäre und Hydrosphäre (Kreisläufe von Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff);

2. Sedimentkreisläufe mit Reservefonds in der Erdkruste (Kreisläufe von Phosphor, Kalzium, Eisen etc.).

Kreisläufe vom Gastyp sind perfekt, weil verfügen über einen großen Austauschfonds und damit Möglichkeiten zur schnellen Selbstregulierung. Sedimentkreisläufe sind weniger perfekt, sie sind träger, weil Der Großteil der Substanz ist im Reservefonds der Erdkruste in einer für lebende Organismen „unzugänglichen“ Form enthalten. Solche Kreisläufe können durch verschiedene Einflüsse leicht gestört werden und ein Teil des ausgetauschten Materials verlässt den Kreislauf. Es kann nur durch geologische Prozesse oder durch Extraktion durch lebende Materie wieder in den Kreislauf zurückgeführt werden. Um jedoch die für lebende Organismen notwendigen Stoffe zu extrahieren Erdkruste viel schwieriger als aus der Atmosphäre.

Die Intensität des biologischen Kreislaufs wird in erster Linie von der Umgebungstemperatur und der Wassermenge bestimmt. So verläuft der biologische Kreislauf beispielsweise in feuchten Tropenwäldern intensiver als in der Tundra. Darüber hinaus finden biologische Prozesse in der Tundra nur in der warmen Jahreszeit statt.

Produzenten, Konsumenten, Detritophagen und Zersetzer des Ökosystems, die verschiedene Stoffe aufnehmen und abgeben, interagieren klar und koordiniert miteinander. Von photosynthetischen Pflanzen produzierte organische Stoffe und Sauerstoff sind die wichtigsten Lebensmittel für die Ernährung und Atmung der Verbraucher. Gleichzeitig sind Kohlendioxid und Mineralstoffe aus Gülle und Urin, die von Verbrauchern abgegeben werden, Biogene, also dringend benötigte Produzenten. Daher durchlaufen Substanzen in Ökosystemen einen nahezu vollständigen Kreislauf, indem sie zunächst in lebende Organismen gelangen, dann in die abiotische Umgebung und wieder in die lebenden Organismen zurückkehren. Hier liegt eines der Grundprinzipien der Funktionsweise von Ökosystemen: Die Aufnahme von Ressourcen und die Verarbeitung von Abfällen erfolgen im Prozess des Kreislaufs aller Elemente.

Betrachten Sie die Kreisläufe der wichtigsten Stoffe und Elemente für lebende Organismen. Der kleine biogeochemische Kreislauf biogener Elemente umfasst: Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor, Schwefel usw.

2.1 Der Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoff kommt in der Natur in vielen Formen vor, auch in organischen Verbindungen. Die dem biogenen Kreislauf dieses Elements zugrunde liegende anorganische Substanz ist Kohlendioxid (CO2). In der Natur ist CO2 Teil der Atmosphäre und wird auch in der Hydrosphäre gelöst. Der Einschluss von Kohlenstoff in die Zusammensetzung organischer Substanzen erfolgt im Prozess der Photosynthese, wodurch Zucker auf Basis von CO2 und H2O gebildet werden. Anschließend wandeln andere biosynthetische Prozesse diese Kohlenstoffe in komplexere Kohlenstoffe sowie in Proteine und Lipide um. Alle diese Verbindungen bilden nicht nur das Gewebe photosynthetischer Organismen, sondern dienen auch als Quelle organischer Substanz für Tiere und nichtgrüne Pflanzen.

Bei der Atmung oxidieren alle Organismen komplexe organische Substanzen; Das Endprodukt dieses Prozesses, CO2, wird in die Umwelt abgegeben, wo es erneut am Prozess der Photosynthese beteiligt sein kann.

Unter bestimmten Bedingungen im Boden verläuft der Abbau der angesammelten toten Rückstände langsam – durch Humusbildung durch Saprophagen, deren Mineralisierung durch die Einwirkung von Pilzen und Bakterien unterschiedlich, auch langsam, erfolgen kann. In manchen Fällen ist die Zersetzungskette organischer Stoffe unvollständig. Insbesondere die Aktivität von Saprophagen kann durch Sauerstoffmangel oder erhöhten Säuregehalt gehemmt werden. Dabei fallen organische Rückstände in Form von Torf an; Kohlenstoff wird nicht freigesetzt und der Kreislauf stoppt. Ähnliche Situationen gab es in früheren geologischen Epochen, wie die Vorkommen von Kohle und Öl belegen.

In der Hydrosphäre ist die Unterbrechung des Kohlenstoffkreislaufs mit dem Einbau von CO2 in CaCO3 in Form von Kalkstein, Kreide und Korallen verbunden. In diesem Fall wird Kohlenstoff für ganze geologische Epochen aus dem Kreislauf ausgeschlossen. Erst der Aufstieg organogener Gesteine über den Meeresspiegel führt zur Erneuerung der Zirkulation durch die Auswaschung von Kalkstein durch atmosphärische Niederschläge. Und auch auf biogene Weise – durch die Wirkung von Flechten, Pflanzenwurzeln.

Wälder sind der Hauptspeicher für biologisch gebundenen Kohlenstoff; sie enthalten bis zu 500 Milliarden Tonnen dieses Elements, das sind 2/3 seiner Reserve in der Atmosphäre. Eingriffe des Menschen in den Kohlenstoffkreislauf führen zu einem Anstieg des CO2-Gehalts in der Atmosphäre und zur Entstehung des Treibhauseffekts.

CO2-Zyklusrate, d.h. Die Zeit, die das gesamte Kohlendioxid in der Atmosphäre benötigt, um lebende Materie zu passieren, beträgt etwa 300 Jahre.

2.2 Der Stickstoffkreislauf

Hauptquelle Stickstoff organischer Verbindungen – molekularer Stickstoff in der Zusammensetzung der Atmosphäre. Der Übergang zu für lebende Organismen zugänglichen Verbindungen kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. So werden elektrische Entladungen bei Gewittern aus Stickstoff und Sauerstoff in der Luft, Stickoxid, synthetisiert, das mit Regenwasser in Form von Nitrat oder Salpetersäure in den Boden gelangt. Es gibt auch eine photochemische Stickstofffixierung.

Eine wichtigere Form der Stickstoffassimilation ist die Aktivität stickstofffixierender Mikroorganismen, die komplexe Proteine synthetisieren. Wenn sie absterben, reichern sie den Boden mit organischem Stickstoff an, der schnell mineralisiert. Auf diese Weise gelangen jährlich etwa 25 kg Stickstoff pro Hektar in den Boden.

Die effizienteste Stickstofffixierung erfolgt durch Bakterien, die symbiotische Bindungen mit Hülsenfrüchten eingehen. Der von ihnen gebildete organische Stickstoff diffundiert in die Rhizosphäre und wird auch in die Bodenorgane der Wirtspflanze aufgenommen. Auf diese Weise werden pro Jahr 150-400 kg Stickstoff pro Hektar im Boden und in den unterirdischen Pflanzenorganen angereichert.

Es gibt stickstofffixierende Mikroorganismen, die mit anderen Pflanzen eine Symbiose eingehen. IN aquatische Umgebung und auf sehr feuchten Böden binden Cyanobakterien Luftstickstoff direkt. In all diesen Fällen gelangt Stickstoff in Form von Nitraten in die Pflanzen. Diese Verbindungen werden über Wurzeln und Wege zu den Blättern transportiert, wo sie für die Proteinsynthese verwendet werden; Letztere dienen als Grundlage für die Stickstoffernährung der Tiere.

Exkremente und tote Organismen bilden die Grundlage der Nahrungsketten von Saprophagen-Organismen und zersetzen organische Verbindungen unter allmählicher Umwandlung organischer stickstoffhaltiger Substanzen in anorganische. Das letzte Glied dieser Reduktionskette sind ammonisierende Organismen, die Ammoniak bilden, das dann in den Nitrifikationskreislauf gelangen kann. Auf diese Weise kann der Stickstoffkreislauf fortgesetzt werden.

Gleichzeitig kommt es zu einer ständigen Rückführung von Stickstoff in die Atmosphäre durch denitrifizierende Bakterien, die Nitrate zu N2 abbauen. Diese Bakterien sind in stickstoff- und kohlenstoffreichen Böden aktiv. Dank ihrer Aktivitäten werden jährlich bis zu 50-60 kg Stickstoff aus 1 ha Boden verflüchtigt.

Durch die Anreicherung in Tiefseesedimenten kann Stickstoff aus dem Kreislauf ausgeschlossen werden. Dies wird bis zu einem gewissen Grad durch die Freisetzung von molekularem N2 in der Zusammensetzung vulkanischer Gase kompensiert.

2.3 Phosphorkreislauf

Von allen Makronährstoffen (Elemente, die für alles Leben in großen Mengen benötigt werden) ist Phosphor einer der seltensten verfügbaren Speicher auf der Erdoberfläche. In der Natur kommt Phosphor in großen Mengen in zahlreichen Gesteinen vor. Bei der Zerstörung dieser Gesteine gelangt es in terrestrische Ökosysteme oder wird durch Niederschläge ausgelaugt und gelangt schließlich in die Hydrosphäre. In beiden Fällen gelangt dieses Element in die Nahrungskette. In den meisten Fällen mineralisieren Zersetzerorganismen phosphorhaltige organische Substanzen zu anorganischen Phosphaten, die von Pflanzen wieder verwertet werden können und somit erneut in den Kreislauf eingebunden werden.

Im Ozean gelangt ein Teil der Phosphate mit abgestorbenen organischen Rückständen in tiefe Sedimente, reichert sich dort an und wird so aus dem Kreislauf ausgeschlossen. Der Prozess des natürlichen Phosphorkreislaufs unter modernen Bedingungen wird durch den Einsatz von Phosphatdüngern in der Landwirtschaft intensiviert, deren Quelle mineralische Phosphatvorkommen sind. Dies kann Anlass zur Sorge geben, da Phosphorsalze bei einer solchen Verwendung schnell ausgelaugt werden und das Ausmaß der Ausbeutung groß ist Bodenschätze wachsen ständig. Derzeit sind es etwa 2 Millionen Tonnen pro Jahr.

2.4 Schwefelkreislauf

Der Hauptreservefonds für Schwefel befindet sich im Sediment und im Boden, aber im Gegensatz zu Phosphor gibt es einen Reservefonds in der Atmosphäre. Die Hauptrolle bei der Beteiligung von Schwefel am biogeochemischen Kreislauf spielen Mikroorganismen. Einige davon sind Reduktionsmittel, andere Oxidationsmittel.

Schwefel kommt in Gesteinen in Form von Sulfiden, in Lösungen – in Form eines Ions, in der Gasphase in Form von Schwefelwasserstoff oder Schwefeldioxid vor. In einigen Organismen reichert sich Schwefel in seiner reinen Form (S) an und wenn sie sterben, bilden sich Ablagerungen von nativem Schwefel auf dem Meeresboden.

In terrestrischen Ökosystemen gelangt Schwefel hauptsächlich in Form von Sulfaten aus dem Boden in die Pflanzen. In lebenden Organismen kommt Schwefel in Proteinen, in Form von Ionen usw. vor. Nach dem Absterben lebender Organismen wird ein Teil des Schwefels im Boden durch Mikroorganismen zu HS reduziert, der andere Teil wird zu Sulfaten oxidiert und gelangt so wieder in den Kreislauf. Der entstehende Schwefelwasserstoff entweicht in die Atmosphäre, oxidiert dort und gelangt mit Niederschlägen wieder in den Boden.

Menschliche Verbrennung fossiler Brennstoffe sowie Emissionen Chemieindustrie, führt zur Anreicherung von Schwefeldioxid (SO) in der Atmosphäre, das durch Reaktion mit Wasserdampf in Form von saurem Regen auf den Boden fällt.

Biogeochemische Kreisläufe werden maßgeblich vom Menschen beeinflusst. Wirtschaftstätigkeit durchbricht ihre Isolation, sie werden azyklisch.

Abschluss

Im Laufe der langen Erdgeschichte haben sich komplexe Zusammenhänge herausgebildet, die einen stabilen Stoffkreislauf und damit die Existenz des Lebens als globales Phänomen unseres Planeten unterstützen.

Die gemeinsame Aktivität verschiedener lebender Organismen bestimmt die regelmäßige Zirkulation einzelner Elemente und chemischer Verbindungen, einschließlich ihrer Einführung in die Zusammensetzung lebender Zellen und Transformationen Chemikalien bei Stoffwechselprozessen Freisetzung in die Umwelt und Zerstörung organischer Stoffe, wodurch Mineralstoffe freigesetzt werden, die wieder in biologische Kreisläufe eingebunden werden.

Somit finden die Kreislaufprozesse in bestimmten Ökosystemen statt, biogeochemische Kreisläufe werden jedoch nur auf der Ebene der gesamten Biosphäre vollständig realisiert. Und die gemeinsame Aktivität hochwertiger Lebensformen gewährleistet die Extraktion bestimmter Substanzen aus der äußeren Umgebung, deren Umwandlung auf verschiedenen Ebenen der trophischen Ketten und die Mineralisierung organischer Stoffe in Komponenten, die für die nächste Aufnahme in den Kreislauf verfügbar sind (die Hauptelemente migrieren). entlang der Ketten des biologischen Kreislaufs befinden sich Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Kalium, Kalzium usw.).

Referenzliste

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4. Khotuntsev Yu.L. Ökologie und Umweltsicherheit: Proc. Zuschuss für Studierende. höher Päd. Lehrbuch Betriebe. - M.: Verlagszentrum „Akademie“, 2002.

5. Shilov I.A. Ökologie: Proc. für Biol. und Schatz. Spezialist. Universitäten I.A. Shilov. - 4. Aufl., Rev. - M.: Higher School, 2003.

Frage 2. Erzählen Sie uns etwas über den Wasserkreislauf in der Natur.
Unter dem Einfluss der Sonnenenergie verdunstet Wasser von der Oberfläche von Stauseen und wird durch Luftströmungen über weite Strecken transportiert. Wenn es in Form von Niederschlägen auf die Erdoberfläche fällt, trägt es zur Zerstörung von Gesteinen bei und macht die Mineralien, aus denen es besteht, für Pflanzen, Mikroorganismen und Tiere verfügbar. Es erodiert die obere Bodenschicht und gelangt mit den darin gelösten chemischen Verbindungen und suspendierten organischen und anorganischen Partikeln in die Meere und Ozeane. Die Wasserzirkulation zwischen Ozean und Land ist das wichtigste Glied für die Erhaltung des Lebens auf der Erde.
Pflanzen nehmen auf zwei Arten am Wasserkreislauf teil: Sie entziehen dem Boden Wasser und verdunsten es in die Atmosphäre; Ein Teil des Wassers in Pflanzenzellen wird bei der Photosynthese abgebaut. Dabei wird Wasserstoff in Form organischer Verbindungen fixiert und Sauerstoff gelangt in die Atmosphäre.
Tiere verbrauchen Wasser, um das osmotische und Salzgleichgewicht im Körper aufrechtzuerhalten, und geben es zusammen mit Stoffwechselprodukten an die äußere Umgebung ab.

Unter Naturschutz versteht man gemeinhin ein Maßnahmensystem, das darauf abzielt, ein rationelles Zusammenspiel menschlicher Aktivitäten mit der natürlichen Umwelt aufrechtzuerhalten. Dieses Maßnahmensystem soll die Erhaltung und Wiederherstellung der natürlichen Ressourcen sowie eine rationelle Nutzung gewährleisten natürliche Ressourcen sowie zur Vermeidung direkter und indirekter schädlicher Auswirkungen industrielle Produktionüber Natur und menschliche Gesundheit. Gleichzeitig besteht die Aufgabe darin, im Interesse der Menschheit ein Gleichgewicht zwischen der Entwicklung der Produktion und der Nachhaltigkeit der natürlichen Umwelt aufrechtzuerhalten. Dies erfordert eine umfassende Untersuchung der in der natürlichen Umwelt ablaufenden Prozesse und die Organisation aller Produktionsarten unter Berücksichtigung der identifizierten Muster. Die wissenschaftliche Grundlage für die Erforschung natürlicher Objekte und einen integrierten Ansatz zur Organisation der modernen Produktion ist die Lehre von der Biosphäre der Erde.

Der Begriff „Biosphäre“ wurde 1875 vom österreichischen Geologen E. Suess eingeführt; Der Begründer der modernen Biosphärentheorie ist der russische Wissenschaftler V. I. Wernadski. Nach Ansicht von V. I. Wernadskij umfasst die Biosphäre den Raum, in dem lebende Materie als geologische Kraft wirkt, die das Antlitz der Erde formt;

IN moderne Sicht Die Biosphäre ist ein komplexes dynamisches Großsystem aus vielen Bestandteilen belebter und unbelebter Natur, dessen Integrität durch den ständig wirkenden biologischen Stoffkreislauf erhalten bleibt.

Die Lehren von V. I. Wernadskij basieren auf den Vorstellungen der planetarischen geochemischen Rolle lebender Materie bei der Bildung der Biosphäre als Produkt einer langfristigen Umwandlung von Materie und Energie im Zuge der geologischen Entwicklung der Erde. Unter lebender Substanz versteht man eine Reihe lebender Organismen, die in einem bestimmten Zeitraum existierten oder existierten und einen starken geologischen Faktor darstellen. Im Gegensatz zu den von der Biologie untersuchten Lebewesen ist lebende Materie als biogeochemischer Faktor durch elementare Zusammensetzung, Masse und Energie gekennzeichnet. Es sammelt und wandelt Sonnenenergie um und bindet anorganische Materie in einen kontinuierlichen Kreislauf. Atome fast aller chemischen Elemente sind wiederholt durch lebende Materie gewandert. Letztendlich bestimmte die lebende Materie die Zusammensetzung der Atmosphäre, der Hydrosphäre, der Böden und zu einem großen Teil auch der Sedimentgesteine unseres Planeten.

IN UND. Wernadskij wies darauf hin, dass lebende Materie die Energie des Kosmos speichert, sie in die Energie terrestrischer Prozesse (chemisch, mechanisch, thermisch, elektrisch usw.) umwandelt und in einem kontinuierlichen Stoffaustausch mit der trägen Materie des Planeten sorgt die Bildung lebender Materie, die nicht nur ihre sterbenden Massen ersetzt, sondern auch neue Eigenschaften einführt und dadurch den Evolutionsprozess der organischen Welt bestimmt.

Nach Ansicht von V. I. Wernadski umfasst die Biosphäre vier Hauptkomponenten:

lebende Materie – die Gesamtheit aller lebenden Organismen;

biogene Stoffe, d. h. Produkte, die durch die lebenswichtige Aktivität verschiedener Organismen (Kohle, Bitumen, Torf, Waldstreu, Bodenhumus usw.) entstehen;

bioinerte Materie – anorganische Materie, die von Organismen umgewandelt wird (z. B. die Oberflächenatmosphäre, einige Sedimentgesteine usw.);

Inerte Materie – Gesteine hauptsächlich magmatischen, anorganischen Ursprungs, aus denen die Erdkruste besteht.

Alle Arten von Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen, die mit der Umwelt interagieren, sichern ihre Existenz nicht als Summe von Individuen, sondern als ein einziges funktionelles Ganzes, das eine Population darstellt (Populationen von Kiefern, Mücken usw.).

Nach S.S. Schwartz ist eine Population eine elementare Gruppierung von Organismen einer bestimmten Art, die über alle notwendigen Voraussetzungen verfügt, um ihre Zahl auf unbestimmte Zeit aufrechtzuerhalten. lange Zeit und bei sich ständig ändernden Umweltbedingungen. Mit anderen Worten: Eine Population ist eine Existenzform einer Art, das supraorganismische System, das eine Art potenziell (aber nicht wirklich) unsterblich macht. Dies deutet darauf hin, dass die Anpassungsfähigkeit der Population viel höher ist als die der einzelnen Organismen, aus denen sie besteht.

Eine Population als elementare ökologische Einheit weist eine bestimmte Struktur auf, die durch ihre konstituierenden Individuen und deren Verteilung im Raum gekennzeichnet ist. Populationen zeichnen sich durch Wachstum, Entwicklung und die Fähigkeit aus, unter sich ständig ändernden Bedingungen zu existieren.

In der Natur bilden Populationen von Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen höherrangige Systeme – Gemeinschaften lebender Organismen oder, wie sie allgemein genannt werden, Biozönosen. Biozönose ist organisierte Gruppe Populationen von Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen, die unter gleichen Umweltbedingungen in Interaktion leben. Das Konzept der „Biozönose“ wurde 1877 vom deutschen Zoologen K-Mobius vorgeschlagen, der feststellte, dass alle Mitglieder einer Gemeinschaft lebender Organismen in enger und konstanter Beziehung stehen. Biozönose ist ein Produkt natürliche Auslese, wenn seine stabile zeitliche und räumliche Existenz von der Art der Interaktion der Populationen abhängt und nur mit der obligatorischen Versorgung mit Strahlungsenergie von der Sonne und dem Vorhandensein einer ständigen Stoffzirkulation möglich ist.

Um das Studium der Biozönose zu vereinfachen, wird sie manchmal bedingt in einzelne Komponenten unterteilt: Phytozönose - Vegetation, Zoozönose - Tierwelt, Mikrobiozönose - Mikroorganismen. Eine solche Aufteilung führt zur künstlichen Trennung einzelner Gruppen lebender Organismen, die nicht unabhängig voneinander existieren können. Es kann kein stabiles System geben, das nur aus Pflanzen oder nur aus Tieren besteht. Gemeinschaften und ihre Bestandteile müssen als biologische Einheit betrachtet werden verschiedene Typen lebende Organismen.

Die Biozönose kann sich nicht selbstständig, außerhalb und unabhängig von der Umgebung der anorganischen Welt entwickeln. Infolgedessen bilden sich in der Natur bestimmte relativ stabile Komplexe, Gruppen lebender und nicht lebender Komponenten. Ein Raum mit homogenen Bedingungen, der von einer Organismengemeinschaft (Biozönose) bewohnt wird, wird als Biotop bezeichnet, d.h. Ein Biotop ist ein Existenzort, ein Lebensraum für eine Biozönose. Daher kann die Biozönose als ein historisch etablierter Organismenkomplex betrachtet werden, der für dieses bestimmte Biotop charakteristisch ist.

Die Biozönose bildet mit dem Biotop eine dialektische Einheit, ein biologisches Makrosystem noch höheren Ranges – die Biogeozänose. Der Begriff „Biogeozänose“, der die Gesamtheit der Biozönose und ihres Lebensraums bezeichnet, wurde 1940 von V. N. Sukachev vorgeschlagen. Der Begriff ist praktisch identisch mit dem Begriff „Ökosystem“, der A. Tensley gehört.

Ein Ökosystem ist ein System aus lebenden und nichtlebenden Elementen der Umwelt, zwischen denen ein Austausch von Materie, Energie und Informationen stattfindet. Ökologische Systeme unterschiedlichen Ranges können eine begrenzte oder sehr große Anzahl von Komponenten umfassen und kleine oder sehr große Flächen und Volumina einnehmen; das Ökosystem Europas, das Ökosystem des Landes, das Ökosystem der Region, des Bezirks, des Tätigkeitsbereichs des Unternehmens usw.

Unter Biogeozänose wird ein Element der Biosphäre verstanden, bei dem die Biozönose (Gemeinschaft lebender Organismen) und das ihr entsprechende Biotop (Teile der Atmosphäre, Lithosphäre und Hydrosphäre) bis zu einem gewissen Grad homogen und eng zu einem einzigen Komplex verbunden bleiben . Das heißt, unter Biogeozänose wird ein natürlicher Naturkomplex verstanden, durch den keine wesentliche biozönotische, geomorphologische, hydrologische, mikroklimatische, nächtlich-geochemische oder sonstige Grenze verläuft. Hierbei handelt es sich um eine Region der Biosphäre, die hinsichtlich topografischer, mikroklimatischer, hydrologischer und biotischer Bedingungen homogen ist. Der Begriff „ökologisches System“ unterliegt dieser Einschränkung nicht und kann verschiedene Naturkomplexe (Wald, Wiese, Fluss etc.) kombinieren. Die Biogeozänose selbst ist ein elementares Ökosystem.

Die elementare Struktureinheit der Biosphäre – die Biogeozänose – besteht aus zwei miteinander verbundenen Komponenten (Abb. 3.1):

abiotisch (Biotop), einschließlich abiotischer Elemente der Umwelt, die mit lebenden Organismen in Beziehung stehen;

biotisch (Biozönose), eine Gemeinschaft lebender Organismen, die in einem ausgewählten Biotop (ausgewähltes Ökosystem) leben.

Die abiotische Komponente umfasst die folgenden Komponenten: Lithosphäre, Hydrosphäre und Atmosphäre.

In der Lithosphäre wird ein Abschnitt einer Reihe von Gesteinen, der Erdoberfläche, unterschieden, die Lebensraum lebender Organismen sind und Teil der ausgewählten Biozönose sind. Ein wichtiges Merkmal Biotop ist ein Abschnitt der Erdoberfläche mit einer besonderen Struktur und Materialzusammensetzung der Böden (Pedosphäre) innerhalb des ausgewählten Gebietes.

Die Hydrosphäre umfasst Oberflächen- und Grundwasser, das sich innerhalb des Biotops befindet und direkt oder indirekt die lebenswichtige Aktivität lebender Organismen gewährleistet, sowie Wasser, das in Form von Niederschlägen auf das Territorium eines ausgewählten Gebiets fällt.

Die Atmosphäre (Gaskomponente) umfasst: atmosphärische Luft; in Oberflächen- und Grundwasser gelöste Gase; der Gasbestandteil von Böden sowie aus dem Gebirge freigesetzte Gase, die direkt oder indirekt die lebenswichtige Aktivität lebender Organismen beeinflussen.

Die biotische Komponente der natürlichen Umwelt (Biozönose) umfasst drei Komponenten: Phytozönose-Produzenten (Produzenten) der Primärproduktion, die Sonnenenergie akkumulieren; Eozänose – Verbraucher, Produzenten von Sekundärprodukten, die für ihr Leben die in der organischen Substanz der Phytozönose enthaltene Energie nutzen; Mikrobozönose-Reduzierer (Disruptoren), Organismen, die von der Energie abgestorbener organischer Substanz leben und deren Zerstörung (Mineralisierung) durch die Produktion anfänglicher Mineralelemente in einer Form sicherstellen, die für Pflanzen zur Reproduktion primärer organischer Produkte geeignet ist.

Alle Bestandteile der natürlichen Umwelt (Biogeozänose), ihre biotischen und abiotischen Bestandteile stehen in ständiger Beziehung und sorgen für die evolutionäre Entwicklung voneinander. Die Zusammensetzung und Eigenschaften der Lithosphäre, Hydrosphäre und Atmosphäre bestimmen maßgeblich die Entwicklung lebender Organismen. Gleichzeitig sind lebende Organismen selbst, die sich gegenseitig mit lebenswichtiger Aktivität versorgen, von Veränderungen der Umweltbedingungen abhängig. Die äußere Umgebung versorgt sie mit Energie und essentiellen Nährstoffen.

Somit umfasst die Biosphäre im Allgemeinen die folgenden Lebensebenen: Bevölkerung, Biozönose, Biogeozänose. Jede dieser Ebenen ist relativ unabhängig, was die Entwicklung des Makrosystems als Ganzes gewährleistet, wobei die sich entwickelnde Einheit die Bevölkerung ist. Die elementare Struktureinheit der Biosphäre ist zugleich die Biogeozänose, also die Lebensgemeinschaft der Organismen in Verbindung mit dem anorganischen Lebensraum (siehe Abb. 3.1).

Unter modernen Bedingungen verändert sich die menschliche Aktivität natürliche Ressourcen(Wälder, Steppen, Seen). Sie werden durch Aussaat und Pflanzung von Kulturpflanzen ersetzt. So entstehen neue Ökosysteme – Agrobiogeozänosen oder Agrozönosen. Agrozönosen sind nicht nur landwirtschaftliche Felder, sondern auch feldschützende Waldplantagen, Weiden, Waldplantagen, Teiche und Stauseen, Kanäle und trockengelegte Sümpfe. In den meisten Fällen zeichnen sich Agrobiozönosen in ihrer Struktur durch eine geringe Anzahl lebender Organismenarten, aber ihre hohe Häufigkeit aus. Obwohl es viele Besonderheiten in der Struktur und Energie natürlicher und künstlicher Biozönosen gibt, gibt es keine grundsätzlichen Unterschiede zwischen ihnen.

Wesentlich komplizierter ist die Situation bei Ökosystemen, die in den Einflusszonen von Industrieunternehmen, Städten, Staudämmen und anderen großen Ingenieurbauwerken entstehen. Hier entstehen durch den aktiven Einfluss des Menschen auf die Umwelt qualitativ neue Ökosysteme, deren Funktionsfähigkeit durch natürliche Prozesse und den ständigen Einfluss eines Industrieunternehmens auf das abiotische (nicht lebende) Leben gewährleistet ist. und biotische (lebende) Bestandteile der Natur.

5. Biotischer Stoffkreislauf in der Biosphäre

Die Existenz der Biosphäre als Ganzes und ihrer einzelnen Teile gewährleistet den Stoffkreislauf und die Energieumwandlung:

Der Stoffkreislauf in der Biosphäre erfolgt in erster Linie auf der Grundlage der lebenswichtigen Aktivität verschiedenster Organismen. Jeder Organismus entzieht der Umwelt die für seine lebenswichtige Tätigkeit notwendigen Stoffe und gibt ungenutzte zurück. Darüber hinaus verbrauchen einige Arten lebender Organismen die benötigten Substanzen direkt aus der Umwelt, andere verwenden zuerst verarbeitete und isolierte Produkte, wieder andere erst dann und so weiter, bis die Substanz in ihrem ursprünglichen Zustand in die natürliche1 Umgebung zurückkehrt. Daher besteht die Notwendigkeit der Koexistenz verschiedener Organismen (Artenvielfalt), die in der Lage sind, die Produkte der Lebensaktivität des anderen zu nutzen, d. h. praktisch ohne Abfall zu arbeiten; Neuproduktion biologischer Produkte.

Die Gesamtzahl der lebenden Organismen und die Geschwindigkeit ihrer Entwicklung in der Biozönose hängen von der Energiemenge ab, die in das Ökosystem gelangt, von der Geschwindigkeit ihrer Übertragung durch die einzelnen Elemente des Systems und von der Intensität der Zirkulation mineralischer Substanzen. Ein Merkmal dieser Prozesse ist, dass Nährstoffe (Kohlenstoff, Stickstoff, Wasser, Phosphor usw.) ständig zwischen Biotop und Biozönose zirkulieren, also unzählige Male genutzt werden, und die Energie in Form eines Stroms in das Ökosystem gelangt der Sonnenstrahlung wird ^ Xia vollständig verbraucht. Nach dem Gesetz der Erhaltung und Umwandlung kann die in das Ökosystem gelangende Energie von einer Form in eine andere wechseln. Das zweite Grundprinzip besteht darin, dass jede mit der Energieumwandlung verbundene Aktion nicht ohne Verlust in Form von im Weltraum abgegebener Wärme erfolgen kann. Das heißt, ein Teil der in das Ökosystem gelangenden Energie geht verloren und kann keine Arbeit verrichten.

Jedes Ökosystem tendiert im Verlauf seiner Entwicklung zu seinem Gleichgewichtszustand, wenn alle seine fn=eic-Parameter einen konstanten Wert annehmen und der Effizienzkoeffizient seinen Maximalwert erreicht.

Die lebenswichtige Aktivität eines jeden Organismus wird durch die vielfältigen biotischen Beziehungen gewährleistet, die er mit anderen Organismen eingeht. Alle Organismen können nach der Art der Nahrungsaufnahme und der trophischen Ebene, auf der sie in der allgemeinen Nahrungskette vorkommen, klassifiziert werden. Je nach Ernährungsweise werden zwei Gruppen unterschieden: autotrophe und heterotrophe.

Autotrophe haben die Fähigkeit, aus anorganischen Substanzen organische Substanzen zu erzeugen, indem sie die Energie der Sonne oder die bei chemischen Reaktionen freigesetzte Energie nutzen.

Heterotrophe Organismen nutzen organische Stoffe als Nahrung. In diesem Fall können lebende Pflanzen oder deren Früchte, abgestorbene Pflanzen- und Tierreste als Nahrung verwendet werden. Darüber hinaus dient jeder Organismus in der Natur in der einen oder anderen Form als Nahrungsquelle für eine Reihe anderer Organismen.

Durch den sukzessiven Übergang organischer Materie von einer trophischen Ebene zur anderen kommt es zum Stoffkreislauf und zur Energieübertragung in der Natur (Abb. 3.2). Gleichzeitig werden organische Substanzen, die von einer trophischen Ebene zur anderen wandern, teilweise aus dem Kreislauf ausgeschlossen. Dadurch reichern sich organische Verbindungen auf der Erde in Form von Mineralablagerungen (Torf, Kohle, Öl, Gas, Ölschiefer etc.) an. Im Wesentlichen reichert sich die Biomasse auf der Erde jedoch nicht an, sondern wird auf einem bestimmten Niveau gehalten, da sie ständig zerstört und aus dem gleichen Baumaterial, d. h. innerhalb seiner Grenzen findet ein ununterbrochener Stoffkreislauf statt. In der Tabelle. 3.1 liefert Daten zur Biomassereproduktionsrate für einige natürliche Ökosysteme.

Im Prozess der lebenswichtigen Aktivität von Organismen wurde auch der unbelebte Teil der Biosphäre radikal verändert. In der Atmosphäre erschien freier Sauerstoff und in seinen oberen Schichten bildete sich ein Ozonschirm; Kohlendioxid, das von Organismen aus Luft und Wasser extrahiert wurde, wurde in Kohle- und Kalziumkarbonatvorkommen konserviert.

Durch geologische Prozesse kommt es zu Verformungen und Zerstörungen des oberen Teils der Lithosphäre. Zuvor vergrabene Sedimentgesteine liegen wieder an der Oberfläche. In Zukunft kommt es zu ihrer Verwitterung, an der auch lebende Organismen aktiv beteiligt sind.

Durch die Freisetzung von Kohlendioxid, organischen und mineralischen Säuren tragen sie zur Zerstörung von Gesteinen bei und beteiligen sich dadurch am Prozess der Migration chemischer Elemente.

Die Gesamtmenge an Sonnenenergie, die die Erde jährlich erhält, beträgt etwa 2-1024 J. Bei der Photosynthese werden pro Jahr etwa 100 Milliarden Tonnen organische Substanzen gebildet und 1,9-1021 J Sonnenenergie angesammelt. Für Photosyntheseprozesse werden jährlich 170 Milliarden Tonnen Kohlendioxid aus der Atmosphäre freigesetzt, rund 130 Milliarden Tonnen Wasser werden photochemisch zersetzt und 115 Milliarden Tonnen Sauerstoff werden an die Umwelt abgegeben. Darüber hinaus sind 2 Milliarden Tonnen Stickstoff, Silizium, Ammonium, Eisen, Kalzium und viele andere Stoffe am Stoffkreislauf beteiligt. Insgesamt sind mehr als 60 Elemente am biologischen Kreislauf beteiligt.

Die Synthesephase der organischen Substanz wird in der nächsten Stufe des biologischen Kreislaufs durch die Phase ihrer Zerstörung bei gleichzeitiger Abgabe potentieller chemischer Energie (in Form von Wärmeenergie) im Weltraum ersetzt. Dadurch geht die organische Substanz in Gas über, flüssige und feste Formen (Mineral- und andere Verbindungen). Im Verlauf dieser drei Phasen erneuert sich der biologische Kreislauf, der durch Sonnenenergie unterstützt wird und an dem praktisch die gleichen Massen an Stoffen und chemischen Elementen beteiligt sind.

Im Prozess der geologischen Stoffzirkulation werden mineralische Verbindungen auf planetarischer Ebene von einem Ort zum anderen übertragen, außerdem kommt es zu einer Übertragung und Änderung des Aggregatzustands von Wasser (flüssig, fest – Schnee, Eis; gasförmig – Lares). Wasser zirkuliert im Dampfzustand am intensivsten.

Der Wasserkreislauf in der Biosphäre basiert darauf, dass die Gesamtverdunstung durch Niederschläge ausgeglichen wird. Gleichzeitig verdunstet mehr Wasser aus dem Meer, als durch Niederschläge zurückkommt. An Land hingegen fällt mehr Niederschlag, der Überschuss fließt jedoch in Seen und Flüsse und von dort wieder ins Meer.

Mit dem Aufkommen der lebenden Materie, die auf dem Wasserkreislauf und den darin gelösten Mineralverbindungen basiert, d.h. Auf der Grundlage des Abiotischen, Geologischen entstand der Kreislauf der organischen Substanz oder der kleine biologische Kreislauf.

Der wichtigste Prozess im biologischen Kreislauf ist die Transpiration. Wenn die Wurzeln einer Pflanze Bodenfeuchtigkeit aufnehmen, gelangen im Wasser gelöste mineralische und organische Stoffe mit Wasser in die Pflanze. Der Transpirationsprozess ist auch wichtig, um die Temperatur der Pflanze zu regulieren und eine Überhitzung zu verhindern. Durch den Wärmeverlust, der bei der Verdunstung von Wasser entsteht, sinkt die Temperatur der Pflanze. Gleichzeitig wird dieser Prozess von der Pflanze selbst reguliert – bei heißem Wetter öffnen sich die Spaltöffnungen auf den Blättern weiter und dies trägt zu einer Erhöhung der Verdunstung und einem Temperaturabfall bei, bei niedrigerer Temperatur werden die Spaltöffnungen abgedeckt , die Intensität der Verdunstung nimmt ab. Somit ist die Transpiration sowohl ein physiologischer als auch ein physikalischer Prozess, da sie sich von der gewöhnlichen Verdunstung unbelebter Materie durch die Fähigkeit unterscheidet, die Pflanze selbst zu regulieren.

Die Transpirationskapazität einer Pflanze wird oft anhand des Transpirationskoeffizienten geschätzt, der die Wassermenge charakterisiert, die aufgewendet werden muss, um eine Masseneinheit Trockenmasse der Pflanze zu bilden. Zum Beispiel für die Bildung von 1 Tonne gemahlener Pflanzenmasse Weizen, d.h. Getreide und Stroh werden 300-500 m3 Wasser verbraucht. Der Wasserverbrauch für die Travepiration hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab: der Beschaffenheit der Pflanze selbst, den Wetterbedingungen und dem Vorhandensein von Feuchtigkeit im Boden. Bei trockenem, heißem Wetter muss die Pflanze viel Wasser für die Transpiration verbrauchen.

Pflanzenwurzeln nehmen Bodenfeuchtigkeit aus unterschiedlichen Tiefen auf. Das Wurzelsystem von Weizen reicht bis zu einer Tiefe von 2,0 bis 2,5 m, Eichenwurzeln dringen manchmal bis zu einer Tiefe von 20 m ein. Dadurch können Pflanzen die in großen Tiefen befindliche Feuchtigkeit nutzen und sind weniger abhängig von Schwankungen des Feuchtigkeitsgehalts der oberflächlichen Bodenschicht.

Die Verdunstung aus dem Boden kann nicht isoliert von der Transpiration betrachtet werden. Beispielsweise verdunstet unter einem Walddach nur wenig Wasser von der Bodenoberfläche, unabhängig davon, ob Wasser vorhanden ist. Dies liegt daran, dass die Sonnenstrahlung nur schwach durch die Baumkronen dringt. Darüber hinaus verlangsamt sich unter dem Blätterdach des Waldes die Geschwindigkeit der Luftbewegung und es ist stärker mit Feuchtigkeit gesättigt. Unter diesen Bedingungen verdunstet der Großteil der Feuchtigkeit durch Transpiration.

Im Wasserkreislauf sind die wichtigsten Phasen diejenigen, die innerhalb einzelner Fluss- und Seeeinzugsgebiete ablaufen. Die Vegetation übernimmt eine wichtige Abschirmfunktion, indem sie einen Teil des Niederschlagswassers zurückhält. Dieses Abfangen, das natürlich bei leichtem Regen am größten ist, kann in gemäßigten Breiten bis zu 25 % des Gesamtniederschlags ausmachen.

Ein Teil des Wassers wird im Boden zurückgehalten, und je stärker, desto bedeutender ist der kolloidale Komplex des Bodens (Humus und Ton). Der Teil des Wassers, der bis zu einer Tiefe von 20–30 cm in den Boden eindringt, kann durch Kapillaren wieder an die Oberfläche aufsteigen und verdunsten. Somit erfolgt der Übergang von Wasser von der Oberfläche in die Atmosphäre durch physikalische Verdunstung und den Prozess der Transpiration. Gleichzeitig erhöht sich mit der Verbesserung ihrer Wasserversorgung auch die Menge des von den Pflanzen transpirierten Wassers. Eine Birke verdunstet also 0,075 m3 Wasser pro Tag; Buche – 0,1 m, Linde – 0,2 und 1 ha Wald – 20–50 m3. 1 Hektar Birkenwald, dessen Blattgewicht 4940 kg beträgt, verdunstet 47 m³ Wasser pro Tag, und 1 Hektar Fichtenwald, dessen Nadelgewicht 31 Tausend kg beträgt. Verdunstet 43 m³:< воды в день. 1 га пшеницы за период развития использует 375 мм осадков, а продуцирует 12,5 т (сухая масса) растительного вещества.

Der biologische Kreislauf benötigt im Gegensatz zum geologischen Kreislauf weniger Energie. Trotzdem werden nur 0,!-0,2 % der auf die Erde einfallenden Sonnenenergie für die Bildung organischer Materie aufgewendet (bis zu 50 % im geologischen Kreislauf). Die im biologischen Kreislauf enthaltene Energie trägt hervorragend zur Primärproduktion auf dem Planeten bei.

Der Stoffkreislauf wird üblicherweise als biogeochemische Kreisläufe bezeichnet. Die wichtigsten biogeochemischen Kreisläufe sind die Zirkulation von Sauerstoff, Kohlenstoff, Wasser, Stickstoff, Phosphor und einer Reihe anderer Elemente.

Im Allgemeinen ist jeder Kreislauf eines chemischen Elements Teil des allgemeinen grandiosen Stoffkreislaufs auf der Erde, das heißt, sie sind alle durch verschiedene Formen der Wechselwirkung eng miteinander verbunden. Die Hauptglieder biogeochemischer Kreisläufe sind lebende Organismen, die die Intensität aller Zyklen und die Beteiligung fast aller Elemente der Erdkruste daran bestimmen.

Fast der gesamte molekulare Sauerstoff in der Erdatmosphäre entsteht durch die Aktivität grüner Pflanzen und wird auf einem bestimmten Niveau gehalten. In großen Mengen wird es von Organismen bei der Atmung aufgenommen. Aber darüber hinaus geht Sauerstoff aufgrund seiner hohen chemischen Aktivität sicherlich Verbindungen mit fast allen Elementen der Erdkruste ein. Es wird geschätzt, dass der gesamte in der Atmosphäre enthaltene Sauerstoff in 200 Jahren durch lebende Organismen gelangt (bei der Atmung gebunden und bei der Photosynthese freigesetzt wird), Kohlendioxid in 300 Jahren in die entgegengesetzte Richtung zirkuliert und alle Gewässer auf der Erde dadurch zersetzt und neu gebildet werden Photosynthese und Atmung in 2 Millionen Jahren.

Der Stoffkreislauf und die Wanderung von Stoffen in biochemischen Kreisläufen können am Beispiel des Kohlenstoffkreislaufs betrachtet werden (Abb. 3.3). An Land beginnt es mit der Fixierung von Kohlendioxid durch Pflanzen während der Photosynthese. Das in der Atmosphäre enthaltene Kohlendioxid wird von Pflanzen aufgenommen und durch Photosynthese entstehen Kohlenwasserstoffe und Sauerstoff wird freigesetzt.

Kohlenhydrate wiederum sind der Ausgangsstoff für die Bildung von Pflanzen.

Der in der Pflanze gebundene Kohlenstoff wird größtenteils von Tieren verbraucht. Auch Tiere setzen beim Atmen Kohlendioxid frei. Die veralteten Pflanzen und Tiere werden von Mikroorganismen zersetzt, wodurch der Kohlenstoff der abgestorbenen organischen Substanz zu Kohlendioxid oxidiert wird und wieder in die Atmosphäre gelangt. Ein ähnlicher Kohlenstoffkreislauf findet im Ozean statt.

Ein Teil des Kohlendioxids aus der Atmosphäre gelangt in den Ozean und liegt dort in gelöster Form vor. Das heißt, der Ozean sorgt dafür, dass Kohlendioxid in der Atmosphäre innerhalb bestimmter Grenzen bleibt. Der Kohlenstoffgehalt im Ozean wiederum wird ab einem bestimmten Niveau durch die angesammelten Kalziumkarbonatreserven in den Bodensedimenten bereitgestellt. Das Vorhandensein dieses permanenten natürlichen Prozesses reguliert in gewissem Maße den Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre und im Wasser des Ozeans.

Der Stickstoffkreislauf umfasst wie andere biogeochemische Kreisläufe alle Bereiche der Biosphäre (Abb. 3.4). Stickstoff, der in der Atmosphäre sehr häufig vorkommt, wird von Pflanzen erst nach der Verbindung mit Wasserstoff oder Sauerstoff aufgenommen. Unter modernen Bedingungen griff der Mensch in den Stickstoffkreislauf ein. Er baut auf großen Flächen stickstofffixierende Hülsenfrüchte an oder bindet natürlichen Stickstoff künstlich. Es wird angenommen, dass Landwirtschaft und die Industrie liefern fast 60 % mehr festen Stickstoff, als er auf natürliche Weise produziert wird.

Der Kreislauf von Phosphor, einem der Hauptelemente, die lebende Organismen benötigen, ist relativ einfach. Die Hauptquellen für Phosphor sind magmatische (Apatite) und Sedimentgesteine (Phosphorite). Anorganischer Phosphor ist durch natürliche Auslaugungsprozesse am Kreislauf beteiligt. Phosphor wird von lebenden Organismen aufgenommen, die unter ihrer Beteiligung eine Reihe organischer Verbindungen synthetisieren und auf verschiedene trophische Ebenen übertragen. Nach Beendigung ihrer Reise durch die trophischen Ketten werden organische Phosphate von Mikroben zersetzt und in mineralische Orthophosphate umgewandelt, die für grüne Pflanzen verfügbar sind. Phosphate gelangen durch Flussabfluss in Gewässer, was zur Entwicklung von Phytoplankton und lebenden Organismen beiträgt, die sich auf verschiedenen Ebenen der trophischen Kette von Süßwasser- oder Meerwasserkörpern befinden. Auch die Rückführung mineralischer Phosphate ins Wasser erfolgt durch die Aktivität von Mikroorganismen. Allerdings ist zu beachten, dass in großen Tiefen abgelagerte Phosphate vom Kreislauf ausgeschlossen sind, was bei der Bilanzierung dieses biogeochemischen Kreislaufs berücksichtigt werden muss. Somit kommt es nur zu einer teilweisen Rückführung des ins Meer gefallenen Phosphors zurück an Land. Dieser Prozess ist auf das Leben von Vögeln zurückzuführen, die sich von Fischen ernähren.

Ein Teil des Phosphors gelangt durch den menschlichen Fischfang auf den Kontinent. Allerdings ist die Menge an Phosphor, die jährlich mit Fischprodukten zugeführt wird, viel geringer als sein Abtransport in die Hydrosphäre, der viele Millionen Tonnen pro Jahr erreicht. Darüber hinaus beschleunigt der Mensch durch die Ausbringung von Phosphatdüngern auf den Feldern den Prozess der Phosphorentfernung in Wasserläufe und ins Meer erheblich. Gleichzeitig kommt es zu Umweltschäden an Gewässern, da die natürlichen Lebensprozesse der im Wasser lebenden Organismen gestört werden.

Da die Phosphorreserven sehr begrenzt sind, kann der unkontrollierte Verbrauch eine Reihe negativer Folgen haben. Es ist der wichtigste limitierende Faktor für autotrophe Organismen sowohl in aquatischen als auch terrestrischen Umgebungen und der Hauptregulator einer Reihe anderer biogeochemischer Kreisläufe. Beispielsweise hängt der Gehalt an Nitraten im Wasser oder an Sauerstoff in der Atmosphäre weitgehend von der Intensität des Phosphorkreislaufs ab in der Biosphäre.

6. natürliche Ökosysteme

Struktur und Dynamik von Populationen. Das Studium der Struktur und Dynamik von Populationen ist von großer praktischer Bedeutung.

Ich kenne die Muster des Bevölkerungslebens nicht. Es ist unmöglich, die Entwicklung wissenschaftlich fundierter Umwelt-, Ingenieur- und Organisationsmaßnahmen zur rationellen Nutzung und zum Schutz natürlicher Ressourcen sicherzustellen.

Der Populationsansatz zur Untersuchung der lebenswichtigen Aktivität von Organismen basiert auf ihrer Fähigkeit, ihre Häufigkeit und Dichte unter dem Einfluss verschiedener abiotischer und biotischer Umweltfaktoren zu regulieren.

Die Hauptparameter einer Population sind ihre Häufigkeit und Dichte. Die Populationsgröße ist die Gesamtzahl der Individuen in einem bestimmten Gebiet oder in einer bestimmten Menge. Sie ist nie konstant und hängt in der Regel vom Verhältnis von Reproduktionsintensität und Mortalität ab.

Die Bevölkerungsdichte wird durch die Anzahl der Individuen oder Biomasse pro Flächen- oder Volumeneinheit bestimmt. Zum Beispiel 106 Birkenpflanzen pro 1 ha. oder 1,5 Barsche pro 1 m3 Wasser charakterisieren die Populationsdichte dieser Arten. Mit zunehmender Häufigkeit nimmt die He-Dichte nur dann zu, wenn die Population über eine größere Fläche oder in einem größeren Volumen verteilt werden kann.

Die Größe des Verbreitungsgebiets, die Anzahl und Dichte der Populationen sind nicht konstant und können in erheblichen Grenzen schwanken. Oft sind diese Veränderungen mit menschlichen Aktivitäten verbunden. Die Hauptgründe für eine solche Dynamik sind jedoch Veränderungen der Existenzbedingungen, der Verfügbarkeit von Nahrungsmitteln (also Energieressourcen) und andere Gründe.

Es wurde festgestellt, dass die Anzahl der Populationen unbegrenzt schwanken kann. Durch die Fähigkeit zur Selbstregulierung wird sichergestellt, dass sich die Bevölkerung innerhalb bestimmter Grenzen hält. Jede Population hat immer untere UND obere Dichtegrenzen, über die sie nicht hinausgehen kann (Abb. 3.5). Bei einer günstigen Kombination von Faktoren wird die Bevölkerungsdichte auf einem optimalen Niveau gehalten und weicht leicht davon ab. Solche Dichteschwankungen sind in der Regel korrekt, regelmäßiger Natur und spiegeln deutlich die Reaktion der Bevölkerung auf spezifische Veränderungen der Umweltbedingungen wider. In der Natur kann es vor allem bei Kleintieren (mausähnlichen Nagetieren, Insekten, einigen Vögeln) zu saisonalen Schwankungen der Faulheit kommen. So erhöht sich die Zahl mausartiger Nagetiere während einer Saison manchmal um das 300- bis 100-fache und bei manchen Insekten um das 1300- bis 1500-fache.

Ein Rückgang der Dichte unter das Optimum führt zu einer Verschlechterung der Schutzeigenschaften der Bevölkerung, einem Rückgang ihrer Fruchtbarkeit und einer Reihe anderer negativer Phänomene. Populationen mit einer Mindestanzahl an Individuen können nicht lange existieren. Es sind Fälle des Aussterbens von Tieren mit einer geringen Anzahl bekannt, selbst in Reservaten mit sehr günstigen Lebensbedingungen. Auch eine Erhöhung der Dichte über das Optimum hinaus wirkt sich negativ auf die Bevölkerung aus, da dadurch das Nahrungsangebot zerstört und der Lebensraum verringert wird.

Populationen regulieren ihre Zahl und passen sich durch die Aktualisierung von Individuen an veränderte Umweltbedingungen an. Individuen tauchen durch Geburt und Einwanderung in der Bevölkerung auf und verschwinden durch Tod und Auswanderung. Bei einer ausgeglichenen Geburten- und Sterberate entsteht eine stabile Bevölkerung. In einer solchen Population wird die Sterblichkeit durch Wachstum kompensiert, d.h. Die Populationsgröße seines Verbreitungsgebiets wird auf einem bestimmten Niveau gehalten.

Allerdings gibt es in der Natur kein Populationsgleichgewicht. Jede Population verfügt sowohl über statische als auch dynamische Eigenschaften, sodass ihre Dichte ständig schwankt. Unter stabilen äußeren Bedingungen treten diese Schwankungen jedoch um einen bestimmten Durchschnittswert auf. Infolgedessen nehmen die Populationen nicht ab oder zu, sie vergrößern oder verengen ihr Verbreitungsgebiet nicht.

Die Selbstregulierung der Bevölkerungsdichte erfolgt durch zwei sich gegenseitig ausgleichende Kräfte, die in der Natur wirken. Dabei handelt es sich einerseits um die Fähigkeit von Organismen, sich zu vermehren, andererseits um Prozesse, die von der Populationsdichte abhängen und die Fortpflanzung einschränken. Die Autoregulierung der Bevölkerungsdichte ist eine notwendige Anpassung, um das Leben unter sich ständig ändernden Bedingungen aufrechtzuerhalten.

Eine Population ist die kleinste sich entwickelnde Einheit. Sie existiert nicht isoliert, sondern in Verbindung mit Populationen anderer Arten. Daher sind in der Natur gleichzeitig auch Nichtpopulationsmechanismen der automatischen Regulierung, genauer gesagt Interpopulationsmechanismen, weit verbreitet. Gleichzeitig ist die Population ein reguliertes Objekt und das natürliche System, das aus vielen Populationen unterschiedlicher Arten besteht, fungiert als Regulator. Dieses System als Ganzes und die darin enthaltenen Populationen anderer Arten wirken sich auf diese bestimmte Population aus, und jede einzelne für sich wirkt sich auf das gesamte System aus, zu dem sie gehört.

Funktionsweise und Struktur von Biogeozänosen. In Biozönosen dazwischen verschiedene Arten Lebewesen haben bestimmte Verbindungen. Die Hauptform dieser Verbindungen sind Ernährungsbeziehungen, auf deren Grundlage komplexe Ketten und Kreisläufe von Ernährungs- und Raumbeziehungen gebildet werden. Durch Nahrung und räumliche Beziehungen (trophisch und topisch) werden verschiedene biotische Komplexe aufgebaut, die die Arten lebender Organismen zu einem Ganzen vereinen, d.h. in das biologische Makrosystem - Biogeozänose.

Natürliche Biogeozänosen repräsentieren in der Regel Mehrartengemeinschaften. Und je vielfältiger die Artenzusammensetzung der Biozönose ist, desto mehr Möglichkeiten bietet sie für eine umfassendere und wirtschaftlichere Erschließung der Stoff- und Energieressourcen.

Alle Glieder der Nahrungskette sind miteinander verbunden und voneinander abhängig. Zwischen ihnen erfolgt vom ersten bis zum letzten Glied die Übertragung von Materie und Energie (Abb. 3.6, a). Wenn Energie von einer trophischen Ebene auf eine andere übertragen wird, geht Energie verloren. Daher kann die Lieferkette nicht lang sein. Meistens besteht es aus 4–6 Gliedern an Land und 5–8 im Meer. In keiner Nahrungskette werden nicht alle Nahrungsmittel für das Wachstum eines Individuums verwendet, d. h. zur Anreicherung von Biomasse. Ein Teil davon wird für die Deckung der Energiekosten des Körpers aufgewendet: für Atmung, Bewegung, Fortpflanzung, Aufrechterhaltung der Körpertemperatur usw. Gleichzeitig kann die Biomasse einer Verbindung nicht vollständig von der nächsten Verbindung verarbeitet werden. In jedem weiteren Glied der Nahrungskette nimmt die Biomasse im Vergleich zum vorherigen ab. Dies gilt nicht nur für die Biomasse, sondern auch für die Anzahl der Individuen und den Energiefluss.

Dieses Phänomen wurde von C. Elton untersucht und als Zahlenpyramide oder Eltons Pyramide bezeichnet (Abb. 3.6.6). Die Basis der Pyramide bilden Pflanzen - Produzenten, darüber befinden sich Phytophagen. Der nächste Link wird durch Verbraucher zweiter Ordnung repräsentiert. Und so weiter bis zur Spitze der Pyramide, die aus den größten Raubtieren besteht. Die Anzahl der Stockwerke der Pyramide entspricht normalerweise der Anzahl der Glieder in der Nahrungskette.

Ökologische Pyramiden drücken die trophische Struktur eines Ökosystems in geometrischer Form aus. Sie können aus einzelnen Rechtecken gleicher Höhe aufgebaut sein, deren Länge in einem bestimmten Maßstab den Wert des gemessenen Parameters widerspiegelt. Auf diese Weise können Pyramiden aus Zahlen, Biomasse und Energie aufgebaut werden.

Die Energiequelle für den biologischen Stoffkreislauf ist die von grünen Pflanzen – Autotrophen – angesammelte Sonnenstrahlung. Von der gesamten Sonnenstrahlung, die die Erde erreicht, werden nur etwa 0,1–0,2 % der Energie von grünen Pflanzen eingefangen und bilden den gesamten biologischen Stoffkreislauf in der Biosphäre. Gleichzeitig wird mehr als die Hälfte der mit der Photosynthese verbundenen Energie von den Pflanzen selbst verbraucht, während der Rest im Pflanzenkörper angesammelt wird und anschließend als Energiequelle für die gesamte Vielfalt der Organismen der nachfolgenden trophischen Ebenen dient.

Die Funktionen lebender Materie in der Biosphäre sind vielfältig, dienen aber alle demselben Zweck – der Bewegung chemischer Elemente. Warum ist diese Bewegung notwendig und wie kam es vor 3,5 Milliarden Jahren, also bevor Leben auf der Erde erschien? Seit ihrer Gründung ist die Rolle der lebenden Materie in der Biosphäre von entscheidender Bedeutung. Trotz seiner unbedeutenden Masse, etwa 10 -6 Massen anderer Erdhüllen, ist es der Energieträger, aufgrund dessen diese Bewegung stattfindet.

Der Begriff „lebende Materie der Biosphäre“ umfasst alle lebenden Organismen auf dem Planeten. Unabhängig davon, welcher Klasse, Art, Gattung usw. sie angehören. Dabei handelt es sich nicht nur um organische Stoffe, sondern auch um anorganische sowie mineralische Stoffe. Es „lebt“ in allen Schichten der Biosphäre – in der Lithosphäre, Hydrosphäre und Atmosphäre. Wenn die Existenzbedingungen ungeeignet sind, gerät es entweder in einen Zustand der Ruhelosigkeit, das heißt, es verlangsamt alle seine Prozesse so sehr, dass sichtbare Manifestationen des Lebens praktisch fehlen, oder es stirbt.

Besonderheiten und Rolle

Wie kann man die lebende Materie der Biosphäre von der unbelebten unterscheiden?

Fünftens existiert es in allen Phasenzuständen. Sechstens ist es ein individueller Organismus und zeichnet sich im Generationenwechsel durch Kontinuität oder Vererbung aus.

Die lebende Materie der Biosphäre sorgt für die Migration chemischer Elemente sowohl von einem Organismus zum anderen als auch zwischen dem Organismus und der Umwelt. Bewegung entsteht, wenn lebende Organismen Nahrung verdauen, sich entwickeln und wachsen und sich auch im Lebensprozess bewegen. Die erste derartige Bewegung von Elementen wird als chemisch oder biochemisch bezeichnet, die zweite als mechanisch. Darüber hinaus zielt die Aktivität lebender Organismen darauf ab, sicherzustellen, dass diese Wanderung so schnell wie möglich verläuft und die von der Sonne empfangene Energie möglichst effizient genutzt wird. Dazu passen sie sich ständig und kontinuierlich an, passen sich an und entwickeln sich weiter.

Funktionen

Die Rolle lebender Organismen in der Biosphäre besteht darin, mehrere Funktionen zu erfüllen. Die wichtigsten sind: energiegeladen, destruktiv, konzentrationsfördernd und umweltbildend.

Energiefunktion. Es wird mit der Fähigkeit grüner Chlorophyllorganismen zur Photosynthese in Verbindung gebracht. Mithilfe der Sonnenenergie, die sie erhalten, wandeln sie einfachste Verbindungen wie Wasser, Kohlendioxid und Mineralien in komplexe organische Stoffe um, die wiederum für die Existenz anderer Lebewesen notwendig sind. Pflanzen haben diese Fähigkeit. Für die Photosynthese nutzen sie nur 1 % der Sonnenenergie, die auf die Erde fällt. Sie produzieren jährlich etwa 145 Milliarden Tonnen Sauerstoff, wofür sie etwa 200 Milliarden Tonnen Kohlendioxid verbrauchen. Dabei entstehen mehr als 100 Milliarden Tonnen organische Substanz. Auf diese Weise versorgen Pflanzen die Atmosphäre mit freiem Sauerstoff. Wenn Pflanzen dies nicht dauerhaft tun würden, würde Sauerstoff als aktives chemisches Element Reaktionen eingehen und verschiedene Verbindungen bilden und in der Folge vollständig aus der Erdatmosphäre verschwinden. Und damit würde das Leben aufhören zu existieren. Zusätzlich zu den Pflanzen wird organisches Material in sehr geringer Menge – nicht mehr als 0,5 % der Gesamtmenge – von einigen Bakterien produziert. Dieser Vorgang wird Chemosynthese genannt. Dabei handelt es sich nicht um Sonnenenergie, sondern um die Energie, die bei Oxidationsreaktionen von Schwefel- und Stickstoffverbindungen freigesetzt wird.

Auf diese Weise synthetisierte organische Verbindungen – Protein, Zucker usw. – sind zusammen mit der darin enthaltenen Energie Nahrung und werden entlang der trophischen Kette verteilt. Darüber hinaus wird die von Pflanzen synthetisierte Energie als Wärme abgegeben oder in abgestorbener organischer Substanz gespeichert, wodurch sie in einen fossilen Zustand übergeht. Und dabei ist die nächste Funktion destruktiv.

Diese Rolle lebender Organismen in der Biosphäre wird auch als Mineralisierung organischer Substanzen bezeichnet. Durch die Zersetzung wird totes organisches Material in einfache anorganische Verbindungen umgewandelt. An diesem Prozess sind lebende Organismen beteiligt, die eine destruktive oder destruktive Funktion ausüben. In der trophischen Kette werden sie „Reduzierer“ genannt. Dies sind Pilze, Bakterien, Würmer und Mikroorganismen. Das Ergebnis der Zersetzung sind: Kohlendioxid, Wasser, Schwefelwasserstoff, Methan, Ammoniak und so weiter. Die wiederum „Nahrung“ für Pflanzen sind. Und der Prozess beginnt von neuem.

Eine wichtige Rolle spielt der in der Lithosphäre ablaufende Zersetzungsprozess. Dank ihm werden Elemente wie Silizium, Aluminium, Magnesium und Eisen aus Gesteinen freigesetzt.

Reduzierer „extrahieren“ und „schicken“ mit Hilfe der ihnen zur Verfügung stehenden Säuren so wichtige chemische Elemente wie Kalzium, Kalium, Natrium, Phosphor, Silizium und verschiedene Spurenelemente in den Biokreislauf. Dank der Destruktoren erhält der Boden seine Fruchtbarkeit.

Eine weitere Funktion lebender Organismen ist die Konzentration. Es bezieht sich auf den Prozess, bei dem einige ihrer Arten bestimmte chemische Elemente extrahieren und dann in sich selbst anreichern. Dabei kann die Konzentration von Elementen wie Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Natrium, Magnesium, Silizium, Schwefel, Chlor, Kalium, Kalzium und Sauerstoff hundert- und tausendmal höher sein als in der Umwelt. Zum Beispiel Mangan um das 1.200.000-fache, Silber um das 240.000-fache und Eisen um das 65.000-fache. Muscheln, Muscheln und Skelette können markante Beispiele für eine solche Anhäufung sein. Mit Elementen, die zur Anreicherung „geeignet“ sind, reichern einige Arten giftige, giftige und radioaktive Stoffe in sich an. Und es ist eindeutig nicht positiv, sie in die Nahrungskette zu bringen.

Das Gegenteil der Konzentrationsfunktion ist die Streufunktion. Es äußert sich durch verschiedene Sekrete, Bewegungen und dergleichen. Beispielsweise kommt es zu einer Ausscheidung von Eisen aus dem Blut, bei Bissen verschiedener Insekten oder beim Blutsaugen.

Die Biosphäre ist nicht nur die Interaktion zwischen lebenden Organismen und der Energieaustausch zwischen ihnen. Die wesentliche Rolle lebender Organismen in der Biosphäre ist ihre Transformation. Lebende Organismen verändern die physikalisch-chemischen Parameter ihrer Umwelt, diese Funktion wird als „umweltbildend“ bezeichnet. Es ist das Ergebnis aller zuvor betrachteten Funktionen im Aggregat. Die Gewinnung chemischer Elemente, deren Anreicherung und anschließende „Versendung“ mit Hilfe der aufgenommenen Energie auf dem Weg durch den biologischen Kreislauf führten zu erheblichen Veränderungen in der natürlichen Umwelt. Im Laufe von Milliarden von Jahren hat sich die Gaszusammensetzung der Atmosphäre verändert, die chemische Zusammensetzung des Wassers hat sich verändert, Sedimentgesteine und Bodensedimente sind entstanden und eine fruchtbare Bodendecke ist entstanden. Und diesem Einfluss sind wir derzeit ausgesetzt.

Durch die Umgestaltung der äußeren Umgebung schaffen Organismen ein optimales Gleichgewicht von Energie und „Nährstoffen“ für ihre Existenz und die gesamte Biosphäre als Ganzes. Dieses Gleichgewicht ist aufgrund zahlreicher innerer und äußerer Einflüsse stets von der Zerstörung bedroht. Und der Stoff widersteht aufgrund seiner aufgeführten Eigenschaften solchen Einflüssen, stellt das Gebrochene wieder her und bringt das System in einen stabilen Zustand.

Die betrachteten Funktionen lebender Organismen in der Biosphäre betrafen zwei Phasen der Umwandlung organischer Materie in anorganische und umgekehrt. In diesen Stadien spielen Pflanzen ihre Rolle als Produzenten und Bakterien, Pilze und Mikroorganismen als Zersetzer. Welche Rolle spielen Verbraucher oder Verbraucher, deren Hauptarten Tiere sind?

Tiere

Am gesättigtsten, gemessen an der Anzahl der Übergänge von einem Organismus zum anderen, ist die Phase zwischen der Sauerstoffproduktion der Pflanzen und dem Zeitpunkt, an dem der tote Organismus auf den „Tisch“ der Zerstörer trifft.

Die nächste Stufe verbraucht nicht mehr als 1 % der Energie der vorherigen. Mit dem Tod von Phytophagen und Zoophagen geraten ihre Körper in die Hände von Saprophagen und Bakterien. Saprophagen sind die gleichen Zerstörer, Zersetzer oder Totengräber. Auf ihrem „Tisch“ vollendet organisches Material seine Reise. Der Kreis ist geschlossen. Während dieses Zyklus blieb die Menge an Materie bzw. chemischen Elementen gleich. So wie es vor Millionen von Jahren war. Es wird nur Energie verschwendet. Es wird angenommen, dass die Rolle von Tieren in der Biosphäre darin besteht, dass sie zur Bewegung von Chemikalien beitragen, an deren Verteilung und am Energieaustausch teilnehmen. Aber ihre Rolle scheint etwas umfassender zu sein. Als lebendes, selbstorganisierendes System versucht die Biosphäre, ihr inneres Gleichgewicht auszugleichen und aufrechtzuerhalten. Die Masse seiner lebenden Materie muss in einem bestimmten Volumen gehalten werden, und diese Funktion wird von Tieren übernommen. Ein Beispiel wären jene Biosysteme, in denen die Tierwelt verschwunden ist oder kurz davor steht. Dadurch sinkt das Materievolumen, was unweigerlich zur Zerstörung des Gleichgewichts und zum Tod des Systems führt.