Вопрос 38 Энергетические потоки в экосистемах. Правило 10%.
Жизнь на Земле существует за счет солнечной энергии. Свет — единственный на Земле пищевой ресурс, энергия которого, в соединении с углекислым газом и водой, рождает процесс фотосинтеза. Фотосинтезирующие растения создают органическое вещество, которым питаются травоядные животные, ими питаются плотоядные и т. д., в конечном итоге растения «кормят» весь остальной живой мир, т. е. солнечная энергия через растения как бы передается всем организмам.
Энергия передается от организма к организму, создающих пищевую, или трофическую цепь: от автотрофов, продуцентов (создателей) к гетеротрофам, консументам (пожирателям) и так 4—6 раз с одного трофического уровня на другой.
Трофический уровень — это место каждого звена в пищевой цепи. Первый трофический уровень — это продуценты, все остальные — консументы. Второй трофический уровень — это растительноядные консументы; третий — плотоядные консументы, питающиеся растительноядными формами; четвертый — консументы, потребляющие других плотоядных, и т. д. Следовательно, можно и консументов разделить по уровням: консументы первого, второго, третьего и т. д. порядков (рис. 5.4).
Четко распределяются по уровням лишь консументы, специализирующиеся на определенном виде пищи. Однако есть виды, которые питаются мясом и растительной пищей (человек, медведь и др.), которые могут включаться в пищевые цепи на любом уровне.
Пища, поглощаемая консументом, усваивается не полностью — от 12 до 20% у некоторых растительноядных, до 75% и более у плотоядных. Энергетические затраты связаны прежде всего с поддержанием метаболических процессов, которые называют тратой на дыхание, оцениваемая общим количеством С02, выделенного организмом. Значительно меньшая часть идет на образование тканей и некоторого запаса питательных веществ, т. е. на рост. Остальная часть пищи выделяется в виде экскрементов. Кроме того, значительная часть энергии рассеивается в виде тепла при химических реакциях в организме и особенно при активной мышечной работе. В конечном итоге вся энергия, использованная на метаболизм, превращается в тепловую и рассеивается в окружающей среде.
Таким образом, большая часть энергии при переходе с одного трофического уровня на другой, более высокий, теряется.
Приблизительно потери составляют около 90%: на каждый следующий уровень передается не более 10% энергии от предыдущего уровня. Так, если калорийность продуцента 1000 Дж, то при попаданиии в тело фитофага остается 100 Дж, в теле хищника уже 10 Дж, а если этот хищник будет съеден другим, то на его долю останется лишь 1 Дж, т. е. 0,1 % от калорийности растительной пищи.
Однако такая строгая картина перехода энергии с уровня на уровень не совсем реальна, поскольку трофические цепи экосистем сложно переплетаются, образуя трофические сети. Но конечный итог: рассеивание и потеря энергии, которая, чтобы существовала жизнь, должна возобновляться.
Нельзя забывать еще и мертвую органику, которой питается значительная часть гетеротрофов. Среди них есть и сапро-фаги и сапрофиты (грибы), использующие энергию, заключенную в детрите. Поэтому различают два вида трофических цепей: цепи выедания, или пастбищные, которые начинаются с поедания фотосинтезирующих организмов, и детритные цепи разложения, которые начинаются с остатков отмерших растений, трупов и экскрементов животных.
Таким образом, входя в экосистему, поток лучистой энергии разбивается на две части, распространяясь по двум видам трофических сетей, но источник энергии общий — солнечный свет.
Источник
Поток энергии в экосистемах.
Поток энергии в экосистеме (по Ф. Рамаду, 1981) В отличие от веществ, непрерывно циркулирующих по разным блокам экосистемы, которые всегда могут повторно использоваться, входить в круговорот, энергия может быть использована только раз, т. е. имеет место линейный поток энергии через экосистему. Одностороний приток энергии как универсальное явление природы происходит в результате действия законов термодинамики. Первый закон гласит, что энергия может превращаться из одной формы (например, света) в другую (например, потенциальную энергию пищи), но не может быть создана или уничтожена. Второй закон утверждает, что не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потерь некоторой ее части. Определенное количество энергии в таких превращениях рассеивается в недоступную тепловую энергию, а следовательно, теряется. Отсюда не может быть превращений, к примеру, пищевых веществ в вещество, из которого состоит тело организма, идущих со 100-процентной эффективностью. Таким образом, живые организмы являются преобразователями энергии. И каждый раз, когда происходит превращение энергии, часть ее теряется в виде тепла. В конечном итоге вся энергия, поступающая в биотический круговорот экосистемы, рассеивается в виде тепла. Живые организмы фактически не используют тепло как источник энергии для совершения работы — они используют свет и химическую энергию.
Пищевые цепи, сети
Пищевые цепи и сети, трофические уровни. Внутри экосистемы содержащие энергию вещества создаются автотрофными организмами и служат пищей для гетеротрофов. Пищевые связи — это механизмы передачи энергии от одного организма к другому. Типичный пример: животное поедает растения. Это животное, в свою очередь, может быть съедено другим животным. Таким путем может происходить перенос энергии через ряд организмов — каждый последующий питается предыдущим, поставляющим ему сырье и энергию
Биотический круговорот веществ: пищевая цепь (по А. Г. Банникову и др., 1985) Такая последовательность переноса энергии называется пищевой (трофической) цепью, или цепью питания. Место каждого звена в цепи питания является трофическим уровнем. Первый трофический уровень, как уже было отмечено ранее, занимают автотрофы, или так называемые первичные продуценты. Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами, третьего — вторичными консументами и т. д. Обычно различают три типа пищевых цепей. Пищевая цепь хищников начинается с растений и переходит от мелких организмов к организмам все более крупных размеров. На суше пищевые цепи состоят из трех-четырех звеньев. Одна из простейших пищевых цепей имеет вид (см. рис. 12.5): растение — заяц — волк продуцент — травоядное — плотоядное Широко распространены и такие пищевые цепи: растительный материал (например, нектар) — муха — паук — землеройка — сова. сок розового куста — тля — божья (тлевая) коровка — паук — насекомоядная птица -хищная птица. В водных и, в частности, морских экосистемах пищевые цепи хищников, как правило, длиннее, чем в наземных. Широко распространен тип пищевых отношений, представленный на рис. 12.21 и табл. 12.5.
Пищевые цепи в наземной и водной экосистемах: I — продуценты; II — травоядные; III, IV, V — плотоядные; 0 — деструкторы (из Ф. Рамада,1981) Структура пищевой цепи в морской экосистеме
Продуцент Консумент 1 (травоядное) Консумент 11 (плотоядное 1) . Консумент III (плотоядное 2) Консумент IV (плотоядное 3)
Фитопланктон Зоопланктон Рыбы (микрофаги) Рыбы (макрофаги) Птицы (ихтиофаги)
Chaetoceros Calanus (веслоногие рачки) Ammodytes (песчанка) Clupea (сельдь) Phalacrocorax (баклан)
Пищевые цепи, включающие паразитов, отличаются от приведенных и идут от крупных организмов к мелким. В отдельных случаях организмы, таксономически значительно удаленные друг от друга, развиваются один внутри тела другого, первый паразит внутри второго и т. д. К примеру, у насекомых гиперпаразитизм очень сильно развит, и нередко пищевая цепь имеет следующий вид: I II III IV растение — травоядное — паразит — гиперпаразит сосна — гусеница — бракониды — наездники Abies Choristoneura Apantelessp Chaleididae alba murinana Вокруг каждого вида насекомого-фитофага, который питается растениями, формируется зооценоз паразитов и хищников, образующих многочисленные пищевые цепи, где хозяин является начальным звеном. Приведенные типы пищевых цепей начинаются с фотосинтезирующих организмов и носят название пастбищных (или цепи выедания, или цепи потребления). Третий тип пищевых цепей, начинающихся с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных, относят к детритным (сапрофитным) пищевым цепям или к детритным цепям разложения. В детритных пищевых цепях наземных экосистем важную роль играют лиственные леса, большая часть листвы которых не употребляется в пищу травоядными животными и входит в состав подстилки из опавших листьев. Листья измельчаются многочисленными детритофагами — грибами, бактериями, насекомыми (например, коллембола) и т. д., дальше заглатываются земляными (дождевыми) червями, которые осуществляют равномерное распределение гумуса в поверхностном слое земли, образуя так называемый мулль
Детритная пищевая цепь в наземной экосистеме (по Б. Небелу, 1993) На этом уровне у грибов закладывается мицелий. Разлагающие микроорганизмы, завершающие цепь, производят окончательную минерализацию мертвых органических остатков. В целом типичные детритные пищевые цепи наших лесов можно представить следующим образом: листовая подстилка — дождевой червь — черный дрозд — ястреб-перепелятник; мертвое животное — личинки падальных мух — травяная лягушка — обыкновенный уж. В рассмотренных схемах пищевых цепей каждый организм представлен как питающийся другими организмами какого-то одного типа. Реальные же пищевые связи в экосистеме намного сложнее, так как животное может питаться организмами разных типов из одной и той же пищевой цепи или из разных пищевых цепей, например, хищники верхних трофических уровней. Нередко животные питаются как растениями, так и другими животными. Их называют всеядными. Таким образом, все три типа пищевых цепей всегда сосуществуют в экосистеме так, что ее представители объединены многочисленными пересекающимися пищевыми связями, а все вместе они образуют пищевую (трофическую) сеть (рис. 12.23). Пищевые сети в экосистемах весьма сложные, и можно сделать вывод, что энергия, поступающая в них, долго мигрирует от одного организма к другому.
Пищевая сеть и направление потока вещества (по Е. А. Криксунову и др., 1995)
Источник
3. Потоки вещества и энергии в экосистеме
Вещества и энергия в сообществах передаются по пищевым цепям. Через живые организмы проходит огромное количество вещества и энергии.
Энергия поступает на Землю в виде солнечного излучения, которое растениями преобразуется в доступную живым организмам форму — в энергию химических связей органических веществ. В цепях питания большая часть энергии расходуется на процессы жизнедеятельности и превращается в тепло.
К биогенным элементам относятся макроэлементы . Это неметаллы, образующие органические соединения (углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор), и металлы, содержание которых в клетках достаточно высокое (калий, кальций, магний). К биогенным относятся также микроэлементы , которых в живых клетках немного (железо, марганец, медь, цинк, бор, натрий, молибден, хлор, ванадий и кобальт).
Если бы все живые организмы постоянно забирали необходимые им вещества из неживой природы и ничего не возвращали обратно, то вскоре запасы этих веществ были бы исчерпаны. Это не случается, так как в процессе жизнедеятельности организмы возвращают вещества в окружающую среду.
Биогенные вещества постоянно передаются в экосистеме по замкнутым циклам. Это явление носит название круговорота веществ .
Начинается круговорот веществ с поступления химических элементов из почвы и воздуха в организмы продуцентов. Продуценты образуют органические вещества, часть из которых потребляется консументами и передаётся по цепям питания, а другая часть остаётся неиспользованной. На каждом трофическом уровне некоторое количество веществ возвращается в почву с отходами жизнедеятельности. Все органические остатки редуценты перерабатывают и превращают в минеральные вещества, доступные продуцентам.
Так с участием живых организмов разных групп на Земле осуществляется постоянный круговорот биогенных элементов.
Источник