Пищевые цепи и потоки энергии в экосистемах
Жизнь на Земле существует за счет солнечной энергии. Благодаря солнечной энергии, растения синтезируют органические соединения, которыми питаются травоядные животные, травоядными питаются хищники. т.е. растения «кормят» весь живой мир, солнечная энергия, аккумулированная в химических веществах синтезированных растениями, передается всем живым организмам. Процесс передачи энергии от одних организмов к другим организмам осуществляется по пищевой (трофической) цепи. Примером длинной пищевой цепи может служить последовательность обитателей арктического моря: «микроводоросли (фитопланктон) → мелкие растительноядные ракообразные (зоопланктон) → планктонофаги (черви, ракообразные, моллюски, иглокожие) → рыбы (возможны 2-3 звена последовательности хищных рыб) → тюлени → белый медведь. Цепи питания в наземных экологических системах обычно короче, например, лишайник → олень → волк.
Место каждого звена в пищевой цепи называется его трофическим уровнем. Все организмы, пользующиеся одним типом пищи, принадлежат к одному трофическому уровню. Все продуценты относятся к первому трофическому уровню, все растительноядные животные (консументы 1-го порядка) ко второму трофическому уровню и т.д.
В экологических системах существует два вида пищевых цепей: пастбищные и детритные. Пастбищные цепи всегда начинаются с живых фотосинтезирующих растений. Например, сок розового куста→тля→божья коровка→паук→насекомоядная птица→хищная птица.Детритные цепи начинаются с остатков отмерших растений, трупов и экскрементов животных. Например, мертвое животное→личинки падальных мух→травяная лягушка→обыкновенный уж.
Как правило, организмы природных экосистем вовлечены в сложную сеть многих связанных между собой пищевых цепей. Такая сеть называется пищевой сетью.
Солнце дарит Земле колоссальное количество энергии. Достигающее биосферы излучение несет энергию около 2,5 *10 24 Дж в год. И только порядка 1 % от общего количества энергии, поступающей от Солнца к Земле, используется растениями в процессе фотосинтеза. Дальнейшая судьба этой энергии, заключенной в химических соединениях, зависит от передачи ее по пищевой цепи.
С каждым переходом из одного трофического уровня в другой в пределах пищевой цепи или сети совершается работа и в окружающую среду выделяется тепловая энергия, а количество энергии высокого качества, используемой организмами следующего трофического уровня, снижается.
Чем длиннее пищевая цепь, тем больше теряется полезной высококачественной энергии и тем меньше полезной энергии достается конечному потребителю. Потери полезной энергии на каждом трофическом уровне составляют порядка 90%, т.е. организму следующего трофического уровня достается не более 10% от той энергии, которая поступила организму предыдущего трофического уровня. Эту закономерность часто называют «правилом 10%». Впервые это правило сформулировал Р. Линдеман в 1942 году. Например, если калорийность продуцента 1000 Дж, то при поедании его фитофагом в его теле остается 100 Дж, при поедании фитофага хищником в теле хищника останется 10Дж, а если этот хищник будет съеден другим хищником, то в его теле останется только 1 Дж. С чем же связаны такие большие потери энергии в пищевой цепи? Пища, поглощаемая консументом, усваивается не полностью: от 12 до 20% у некоторых растительноядных, до 75% и более у плотоядных. Энергетические затраты организма связаны прежде всего с поддержанием метаболических процессов, для чего необходимо осуществлять дыхание. Значительно меньшая часть поступивших в организм пищевых веществ идет на образование тканей и некоторого запаса питательных веществ, т.е. на рост. Часть полезной энергии теряется с экскрементами. Кроме того, значительная часть энергии рассеивается в виде тепла при химических реакциях в организме и, особенно, при мышечной работе. В конечном итоге, большая часть энергии, использованной на поддержание процессов метаболизма, превращается в тепловую энергию, которая рассеивается в окружающей среде.
Все вышесказанное позволяет сделать важный вывод: природные экологические системы являются открытыми системами. В них формируется круговорот веществ, но нет круговорота энергии. Поступающая в них солнечная энергия, проходя по пищевой цепи, рассеивается в виде тепловой энергии в окружающей среде, а для поддержания жизни в экосистеме необходимо постоянное поступление солнечной энергии к продуцентам.
Для поддержания равновесия в искусственных экологических системах требуется дополнительная энергия. Например, вспашка поля требует энергии сжигаемого топлива и др.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Источник
К числу главных вопросов теории экологии относится проблема поддержания жизнедеятельности организмов и круговорота веществ в экосистемах. Жизнь на Земле существует за счет энергии солнечного излучения, которая переводится фотосинтезирующими организмами в химические связи органических соединений. Фотосинтез – эндоэргический процесс, поскольку сопровождается поглощением энергии.
Кроме растений синтез органического вещества может осуществляться бактериями (нитрифицирующими, серобактериями, железобактериями).
Организмы, которые строят свой организм без посредников, называются автотрофами, в т.ч. синтезирующие органическое вещество из неорганического с использованием энергии солнца (фотоавтотрофы) или химических реакций (хемоавтотрофы) .
Они создают первичное органическое вещество из неорганического и носят название продуцентов. Организмы, использующие вещество, созданное автотрофами (употребляя его в пищу), называют гетеротрофами (питающимися другими).
Частичная или полная замена созданного в процессе питания органического вещества (его разложение до исходных химических компонентов) происходит благодаря особой стадии в трофических цепях – редуцированию за счет организмов-редуцентов.
Итак, цепи питания создают три основных звена (три типа организмов):
- Продуценты. В основном это зеленые растения, потребляющие необходимые химические элементы непосредственно из окружающей среды и усваивающие энергию солнца, производя при этом из углекислого газа и воды простейший моносахарид – глюкозу, а затем, на его основе или с использованием его энергии, образуется многообразие биоорганических соединений: клетчатка, крахмал, белки, жиры, витамины.
- Консументы. Эти виды живых существ (как правило, это животные) потребляют тела растений и других животных. Подразделяясь на травоядных (консументы 1 порядка) и плотоядных (консументы 2 порядка), они образуют пищевую пирамиду. В целом консументы съедают всего около 5% биомассы продуцентов.
- Редуценты – микроорганизмы, грибы, насекомые, потребляющие умершие тела продуцентов, консументов и редуцентов, а также отходы их деятельности. Они разлагают сложные высокомолекулярные вещества тел на простейшие вещества и элементы – минеральные соединения и углекислый газ, которые могут вновь усваиваться продуцентами. Обычно редуценты потребляют и разлагают практически всю оставшуюся от консументов массу растений (до 95-99%), а также биомассу отживших консументов и редуцентов.
Следовательно, в естественных условиях биосфера находится в сбалансированном, устойчивом состоянии. Цикл воспроизводства биомассы почти безотходный. В качестве отхода остаются только те органические соединения или биокосные вещества, которые не могут быть усвоены редуцентами в силу геологических и географических условий (например, когда органика скапливается в большом количестве в бескислородной среде при низких температурах – процессы торфообразования). Подобные отходы – это залежи нефти, каменного угля, торфа и т. п. Эти соединения не вызывают нарушения экологического баланса биосферы и не являются собственно отходами в современном смысле этого термина. Сейчас отходы – это более или менее опасные вещества, вызывающие проблемы в развитии народного хозяйства и увеличивающие риск возникновения экологического кризиса и катастроф в локальном или глобальном масштабах.
В настоящее время ученые насчитывают несколько миллионов видов растений, грибов и животных. Разные литературные источники расходятся в точных оценках. Называют цифры: 1.800.000, 2.500.000 и более (до 5-30 млн.) видов. Наименьшее число видов приходится на редуцентов, что связано в первую очередь с глобальным однообразием потребляемой ими пищи, а также малыми размерами большинства из них (бактерии, грибы), что позволяет их спорам разноситься на большие расстояния и повсеместно вытеснять менее приспособленные виды. Межвидовая конкуренция сокращает число видов.
У продуцентов число видов в 5 раз больше, что обусловлено разнообразием природно-климатических условий, к которым они более чувствительны, чем редуценты.
Консументы используют в пищу не только продуцентов, но и консументов с редуцентами, создавая таким образом пищевые пирамиды, что обусловливает еще большее число их видов – в 20 раз больше, чем редуцентов. Большое число видов обеспечивает множественные и разнообразные обратные связи в системе пища – отходы – пища, увеличивает степень конкуренции видов и скорость их эволюции, увеличивая в конечном счете устойчивость биогеоценозов и биосферы в целом.
Продуценты и консументы образуют два типа звеньев трофической цепи, или цепи питания. Цепи бывают относительно простыми, короткими и более сложными. Выделяют два типа цепей питания: пастбищные и детритные. Пастбищные цепи начинаются с живого органического вещества (преимущественно растительного происхождения) и формируются продуцентами и консументами разных порядков. Детритные цепи начинаются с мертвого органического вещества и формируются редуцентами и консументами (особенно характерны для лесных экосистем, где до 90% растительной продукции поступает в опад). Разные трофические цепи связаны между собой общими звеньями, образуя очень сложную систему, называемую трофической сетью.
Трофическая цепь в биогеоценозе – это одновременно цепь энергетическая. Академик Шварц С.С. назвал биогеоценоз машиной по трансформации вещества и энергии. В биогеоценозе (экосистеме) существует непрерывный поток энергии, заключающийся в передаче ее от одного пищевого уровня к другому. В силу второго закона термодинамики этот процесс связан с рассеиванием энергии на каждом последующем звене, т. е. с её потерями и возрастанием энтропии. В конечном итоге вся энергия, поглощаемая растениями, рассеивается и покидает Землю в виде теплового излучения. Рассеивание энергии все время компенсируется поступлением новой энергии от Солнца.
Каждая экологическая система обладает определенной продуктивностью, которая оценивается как скорость образования вещества биомассы. Основная, или первичная, продуктивность системы определяется как скорость, с которой лучистая энергия Солнца усваивается организмами-продуцентами. Все накопленное экологической системой вещество, за вычетом израсходованного на дыхание, составляет фактическую, или чистую первичную, продуктивность сообщества. Продуктивность консументов носит название вторичной.
Энергетический баланс консументов выражается формулой:
где Р – рацион консумента, П – продукция, Д – траты на дыхание, Н – энергия неусвоенной пищи.
Необходимо подчеркнуть, что основная часть потребляемой с пищей энергии у животных идет на поддержание их жизнедеятельности и лишь сравнительно небольшая – на построение тела, рост и размножение. По ориентировочным подсчетам, потери энергии составляют чаще всего не менее 90% при каждом акте ее передачи по звеньям трофической цепи. Следовательно, на каждый последующий трофический уровень переходит не более 10% энергии предыдущего уровня. Эта закономерность получила название правила десяти процентов. Например, для получения 1 кг говядины требуется от 70 до 90 кг свежей травы, т. е. на создание вторичной продукции используется 1-2 % первичной продукции. Таким образом, запас энергии, накопленной растениями, стремительно иссякает уже на 4-5 звеньях трофической цепи. Её потери могут быть восполнены только поступлением новых порций, поэтому в отличие от круговорота веществ, круговорот энергии в экосистемах отсутствует. Экосистема функционирует только за счет направленного потока энергии, постоянного поступления ее извне в виде солнечного излучения или готовых запасов органического вещества (в отдельных случаях за счет химической энергии земных недр – рудные бактерии).
Продуктивность экологических систем и соотношение в них различных трофических уровней принято выражать в форме пирамид. Первая пирамида была построена Ч. Элтоном и носит название пирамиды чисел. Пирамиды наглядно иллюстрируют соотношение биомасс и эквивалентных им энергий в каждом звене пищевой цепи и используются в практических расчетах при обосновании необходимых площадей под сельскохозяйственные культуры, с тем, чтобы обеспечить кормами скот и, далее, потребность населения в животном белке.
Следует отметить отличие понятия «биомасса» от понятия «биологическая продуктивность». Биомасса биоценоза – его общая накопленная масса на момент исследования. Биологическая продуктивность – количество произведенной биомассы на единицу площади (или объема) в единицу времени. Биомасса того или иного биоценоза не дает представления о его продуктивности. Например, средняя фитомасса луговых степей 23 т/га, а годовая продукция составляет 10 т/га. Фитомасса хвойных лесов 200 т/га, а продуктивность – всего 6 т/га в год.
Мировое распределение первичной биологической продукции крайне неравномерное. Эффективность связывания растительностью солнечной радиации снижается при недостатке тепла и влаги, при неблагоприятных физических и химических свойствах почвы и т. п.
Теоретически возможная скорость создания первичной биологической продукции определяется возможностями фотосинтетического аппарата растений. Максимально достигаемый в природе КПД фотосинтеза составляет 10-12% энергии фотосинтетически активной радиации (ФАР) – около половины от теоретически возможного. В целом же по земному шару усвоение растениями солнечной энергии не превышает 0,1%.
Средний коэффициент использования энергии ФАР для всей территории России составляет около 0,8%: от 1,8-2,0% на Северном Кавказе до 0,1-0,2% в пустынях и тундрах.
Достигающая поверхности Земли в течение одного года солнечная энергия составляет около 38∙10 9 кДж/га. Один гектар леса в средних широтах продуцирует до 6 т древесины и 4 т листьев, сжигание которых дает 193∙10 6 кДж, т. е. эффективность использования солнечной энергии в средних широтах – около 0,5%.
Питание людей обеспечивается в основном сельскохозяйственными культурами, занимающими 10% площади суши. Почти половина урожая идет на питание людей, остальное – на корм домашним животным, используется в промышленности и теряется в отбросах. Всего человек потребляет 0,2% первичной продукции Земли.
Изучение потоков энергии имеет важное значение для расчетов общей биопродуктивности экосистем, включая оценку (прогноз) хозяйственно возможной продуктивности.
Источник