Энергия в экосистемах

     Применительно к энергии в экосистемах удобна следующая формулировка: процессы, связанные с превращениями энергии, могут происходить самопроизвольно  только при условии, что энергия  переходит из концентрированной формы в рассеянную, то есть деградирует.

     Таким образом, любая живая система, в  том числе и экосистема, поддерживает свою жизнедеятельность благодаря, во-первых, наличию в окружающей среде в избытке даровой энергии (энергия Солнца); во вторых, способности за счет устройства составляющих ее компонентов эту энергию улавливать и концентрировать, а использовав - рассеивать в окружающую среду. Таким образом, сначала улавливание, а затем концентрирование энергии с переходом от одного трофического уровня к другому обеспечивает повышение упорядоченности, организации живой системы, то есть уменьшение ее энтропии.

     Подводя итог вышесказанному, необходимо отметить, что экосистемы представляют собой  открытые  неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с внешней средой веществом и энергией. При этом, они уменьшают энтропию внутри себя, но увеличивают ее снаружи, в соответствии с законами термодинамики. Следовательно, энергетика экосистемы — это непрерывный процесс, в ходе которого энергия поступает в экосистему извне, подвергается преобразованию в ней и выделяется из нее. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.1 Поступление энергии в экосистему

     Энергия поступает в экосистему в основном за счет солнечного излучения и длинноволнового  теплового излучения от близлежащих тел.

     Поток энергии по данным Т.А. Акимовой, В.В. Хаскина, посылаемый солнцем к планете Земля, превышает 20 млн. ЭДж. в год. Из-за шарообразности земли к границе всей атмосферы подходит только четверть этого потока. Из нее около 70% отражается, поглощается атмосферой, излучается в виде длинноволнового инфракрасного излучения. Падающая на поверхность Земли солнечная радиация составляет 1,54 млн. ЭДж. в год. Это огромное количество энергии в 5000 раз превышает всю энергетику человечества конца XX столетия и в 5,5 раза — энергию всех доступных ресурсов ископаемого топлива органического происхождения, накопленных в течение, как минимум, 100 млн. лет.

     Но  в процессе фотосинтеза, обеспечивающем энергией живые компоненты экосистемы, усваивается лишь 1% всей поступившей к экосистеме энергии. Правило 1% —для биосферы в целом доля возможного потребления чистой первичной продукции (на уровне консументов высших порядков) не превышает 1%. Остальная часть энергии уходит на поддержание определенной температуры окружающей среды, приводит в действие системы погоды, круговорота воды.

     Разлагатели (редуценты) - микробы, грибы, бактерии - в процессе своей жизнедеятельности  расщепляют сложные органические соединения (экскременты и мертвую органику) на более простые минеральные  вещества, необходимые продуцентам. Образование органической биомассы происходит в процессе фотосинтеза с использованием солнечного света из углекислого газа и воды, причем необходимы также элементы, поступающие из почвы: азот, фосфор, калий, магний, железо и многие другие микроэлементы. Общая схема потоков массы и энергии между основными компонентами наземных экосистем изображена на (рисунке 2.)

Рисунок 2 – Поток энергии в экосистеме

     Солнечная энергия, поступившая к экосистеме, усваивается категорией живых организмов, известных нам под называнием продуценты. Скорость, с которой  продуценты поглощают лучистую энергию  солнечного излучения, а, значит, и скорость, с которой в экосистеме происходит накопление органического вещества, определяют, как биологическую продуктивность. Органическое вещество, производимое автотрофами, называется первичной продукцией. Скорость, с которой продуценты усваивают лучистую энергию в процессе фотосинтеза или хемосинтеза, накапливаясь в форме органических веществ, которые могут быть использованы в качестве пищи, называется первичной продуктивностью (ПП). В процессе производства органического вещества в экосистеме выделяют  четыре последовательных уровня:

     1. Валовая первичная продуктивность («валовой фотосинтез», «общая  ассимиляция», ВПП) – общая скорость  фотосинтеза, включая ту органику, которая за время измерений  была израсходована на дыхание;

     2. Чистая первичная продуктивность («наблюдаемый фотосинтез», «чистая ассимиляция», ЧПП) – скорость накопления органического вещества в растительных тканях за вычетом того органического вещества, которое использовалось при дыхании растений за изучаемый период;

     3. Чистая продуктивность сообщества  – скорость накопления органического вещества, не потребляемого гетеротрофами (т.е. ЧПП минус потребление гетеротрофами) за учетный период, обычно за вегетационный период или за год;

     4. Вторичная продуктивность – скорость  накопления энергии на уровнях  консументов.

     Чистая  продуктивность сообщества в определенный момент времени  выражается наличной биомассой. Другое название чистой продуктивности сообщества — урожай на корню.

     ВПП примерно на двадцать процентов выше, чем ЧПП, так как часть энергии растения тратят на дыхание. В соответствии со вторым законом термодинамики поток энергии с каждой ступенью уменьшается, т.к. при превращениях одной формы энергии в другую часть энергии теряется в виде тепла. Всего растения усваивают около процента солнечной энергии, поглощённой ими.

     Продуктивность  экосистемы зависти от ряда факторов. Высокие скорости продуцирования наблюдаются  в экосистемах, где физические факторы  благоприятны, особенно в случая поступления  экосистеме дополнительной энергии  извне. Поступление энергии со стороны абиотических компонентов экосистемы уменьшают затраты живых организмов на поддержание собственной жизнедеятельности. Для оценки продуктивности экосистемы необходимо также учитывать утечку энергии с урожаем продукции, а также стрессовые воздействия, уменьшающих долю энергии, задействованной в процессе производства биомассы. Также необходимо рассмотреть баланс между валовой первичной продукцией и дыханием сообщества. Здесь нужно сделать допущение о том, что вся чистая первичная продукция потребляется консументами первого порядка (т.е. консументами, питающихся биомассой продуцентов). Бывает, что вся валовая первичная продукция  полностью расходуется на дыхание сообщества без остатка, то есть все произведенное в экосистеме органическое вещество было полностью потреблено. Данное равенство между производством биомассы и ее потреблением представляет собой иллюстрацию стабильного функционирования любой экосистемы. Примером подобной стабильности может служить экосистема тропического леса, где вся произведенная продуцентами биомасса полностью потребляется гетеротрофными организмами. Но, обычно, производство биомассы преобладает над ее потреблением, в результате чего происходит накопление непотребленного органического вещества (например, в форме каменного угля).

Образующиеся в процессе фотосинтеза органические вещества и заключенная в них химическая энергия служат источником веществ и энергии для осуществления жизнедеятельности всех организмов.

     Образование и накопление энергии, доступной  клетке, происходит в процессе клеточного дыхания. Для осуществления клеточного дыхания большинству организмов необходим кислород — в этом случае говорят об аэробном (кислородном) дыхании или аэробном высвобождении энергии. Однако некоторые организмы могут получать энергию из пищи без использования свободного атмосферного кислорода, т. е. в процессе так называемого анаэробного дыхания (анаэробного высвобождения энергии).

     Таким образом, исходными веществами для  дыхания служат богатые энергией органические молекулы, на образование  которых в свое время была затрачена энергия. Основным веществом, используемым клетками для получения энергии, является глюкоза.  

2.2 Пищевые цепи и трофические уровни

     Перенос энергии в экосистеме осуществляется через так называемые пищевые  цепи. В свою очередь, пищевая цепь — это перенос энергии от ее первоначального источника (обычно им являются автотрофы) через ряд организмов, путем поедания одних другими. Пищевые цепи подразделяются на два вида:

     1) Пастбищная пищевая цепь. Она  начинается с растений и тянется дальше к растительноядным животным (фитофагам), а затем и к хищникам. В подобной цепи при каждом переходе к следующему звену теряется до 80-90% потенциальной энергии пищи, так как она переходит в тепло. Пастбищные пищевые цепи делятся на пищевые цепи хищников и пищевые цепи паразитов. При продвижении по пищевой цепи хищников, размер каждого последующего его члена больше, чем размер предыдущего, но численность каждых следующих участников пищевой цепи меньше численности ее предыдущих представителей. Примером пищевой цепи хищников может служить следующая последовательность: Сосна обыкновенная => Тли => Божьи коровки => Пауки =>Насекомоядные птицы => Хищные птицы. В отличие от пищевой цепи хищников, пищевые цепи паразитов ведут к организмам, которые все более уменьшаются в размерах и увеличиваются численно. В качестве примера можно привести следующую цепь: Трава => Травоядные млекопитающие => Блохи => Жгутиконосцы.

     2) Детритная пищевая цепь. Она берет  свое начало от мертвого органического  вещества (детрита), которое либо потребляется в пищу  мелкими, преимущественно беспозвоночными животными, либо разлагается бактериями или грибами. Организмы, потребляющие мертвое органическое вещество, называются детритофагами, разлагающие его — деструкторами.

     Пастбищная и детритная пищевые цепи обычно существуют в экосистемах совместно, но один из видов пищевых цепей почти всегда доминирует над другим. В некоторых же специфических средах (например в подземной), где из-за отсутствия света невозможна жизнедеятельность зеленых растений, существуют только детритные пищевые цепи. В экосистемах пищевые цепи не изолированы друг от друга, а тесно переплетены. Они составляют так называемые пищевые сети. Это происходит потому, что каждый продуцент имеет не одного, а нескольких консументов, которые, в свою очередь, могут иметь несколько источников питания.

     В пищевых цепях образуются так  называемые трофические уровни. Трофические  уровни классифицируют организмы в  пищевой цепи по типам их жизнедеятельности  или по источникам получения энергии. Растения занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные (консументы первого порядка) относятся ко второму трофическому уровню, хищники, поедающие травоядных, образуют третий трофический уровень, вторичные хищники — четвертый и т.д. Следует особо отметить, что один и тот же биологический вид может занимать несколько трофических уровней. Например, если он употребляет в пищу мясо травоядных животных, он является консументом второго порядка, но если он питается и растительностью, то выступает одновременно и в качестве консумента первого порядка. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.3 Экологические пирамиды

     Пищевые сети служат основой для построения экологических пирамид. Простейшими  из них являются пирамиды численности, которые отражают количество организмов (отдельных особей) на каждом трофическом уровне. Для удобства анализа эти количества отображаются прямоугольниками, длина которых пропорциональна количеству организмов, обитающих в изучаемой экосистеме, либо логарифму этого количества. Часто пирамиды численности строят в расчёте на единицу площади (в наземных экосистемах) или объёма (в водных экосистемах). Численность особей на разных трофических уровнях зависит от двух основных факторов. Первый из них — более высокий уровень удельного метаболизма у мелких животных по сравнению с крупными, что позволяет им иметь численное превосходство над крупными видами  и более высокие темпы размножения. Другой из вышеназванных факторов — существование у хищных животных верхнего и нижнего предела размера их жертв. Если жертва намного крупнее хищника по размерам, то он будет не в состоянии ее одолеть. Добыча же небольшого размера не сможет удовлетворить энергетических потребностей хищника. Поэтому для каждого хищного вида существует оптимальный размер жертв. Однако, для данного правила существуют исключения (например, змеи с помощью яда убивают животных, превышающих их по размерам). Пирамиды чисел могут быть обращены "острием" вниз в том случае, если продуценты намного превосходят первичных консументов по своим размерам (примером может служить экосистема леса, где продуцентами являются деревья, а первичными консументами — насекомые).

     В пирамидах численности дерево и  колосок учитываются одинаково, несмотря на их различную массу. Поэтому  более удобно использовать пирамиды биомассы, которые рассчитываются не по количеству особей на каждом трофическом уровне, а по их суммарной массе. Построение пирамид биомассы – более сложный и длительный процесс. С ее помощью можно наглядно показать соотношения биомасс на каждом из трофических уровней. Она может быть прямой, если размер и срок жизни продуцентов достигает относительно больших величин (наземные и мелководные экосистемы), и обращенной, когда продуценты невелики по размеру и имеют короткий жизненный цикл (открытые и глубокие водоемы), (рисунок 3,4).