Кругообіг речовин і потік енергії в екосистемах
Харчування
- Основний спосіб руху речовин і енергії.
Організми
в екосистемі пов'язані спільністю енергії і поживних речовин, які
необхідні для підтримки життя. Головним джерелом енергії для переважної
більшості живих організмів на Землі є Сонце. Фотосинтезуючі
організми (зелені рослини, ціанобактерії, деякі бактерії) безпосередньо
використовують енергію сонячного світла. При цьому з вуглекислого газу і води
утворюються складні органічні речовини, у яких частина сонячної енергії
накопичується у формі хімічної енергії. Органічні речовини служать
джерелом енергії не тільки для самої рослини, але і для інших організмів
екосистеми. Вивільнення укладеної в їжі енергії відбувається в процесі
дихання. Продукти дихання - вуглекислий газ, вода і неорганічні речовини --
можуть знову використовуватися зеленими рослинами. У підсумку речовини в даній
екосистемі здійснюють нескінченний круговорот. При цьому енергія, укладена в
їжі, не здійснює кругообіг, а поступово перетворюється на теплову енергію та
йде з екосистеми. Тому необхідною умовою існування екосистеми
є постійний приплив енергії ззовні (рис. 14.5).
Рис.
14.5. Сулммарний потік енергії (темні стрілки) і кругообіг речовин (світлі
стрілки) в екосистемі.
Таким
чином, основу екосистеми складають автотрофні організми-продуценти
(виробники, творці), які в процесі фотосинтезу створюють багату
енергією їжу - первинне органічна речовина. У наземних екосистемах
найбільш важлива роль належить вищим рослинам, які, утворюючи
органічні речовини, що дають початок усім трофічних зв'язків у екосистемі, служать
субстратом для багатьох тварин, грибів і мікроорганізмів, які активно впливають на
мікроклімат біотопу. У водних екосистемах головними виробниками первинного
органічної речовини є водорості.
Готові
органічні речовини використовують для отримання та накопичення енергії
гетеротрофи, або консументи (споживачі). До гетеротрофи відносяться
рослиноїдні тварини (консументи I Порядку), м'ясоїдні, що живуть за рахунок рослиноїдних
форм (консументи II порядку), що споживають інших м'ясоїдних (консументи Ш
порядку) і т. д.
Особливу
групу консументів складають редуценти (руйнівники, або] деструктори),
розкладають органічні залишки продуцентів і консументів до простих
неорганічних сполук, що зат-му використовуються продуцентами. До
редуцентам відносяться головним чином мікрорганізми - бактерії і гриби. У
наземних екосистемах особливо важливе значення мають грунтові редуценти,
залучають до загального кругообіг органічні речовини відмерлих рослин (вони
споживають до 90% первинної продукції лісу). Таким чином, кожна жива
організм у складі екосистеми займає певну екологічну нішу (місце)
в складній системі екологічних взаємовідносин з іншими організмами і
абіотичних умов середовища.
Харчові
ланцюги (мережі) і трофічні рівні. Основою будь-якої екосистеми, її фундаментом
є харчові (трофічні) і супутні їм енергетичні зв'язки. У них
постійно відбувається перенесення Речовини та енергії, які укладені в їжі,
створеної переважно рослинами.
Перенесення
потенційної енергії їжі, створеної рослинами, через ряд організмів шляхом
поїдання одних видів іншими називається ланцюгом живлення або харчової ланцюгом, а
кожне її ланка-трофічних рівнем (рис. 14.6).
Рис.
14.6. Ланцюги живлення африканської саваною.
Перший
трофічний рівень утворюють продуценти (рослини), другий - первинні консументи
(рослиноїдні тварини), третє - вторинні консументи (м'ясоїдні тварини
і паразити). Оскільки кожен організм має кілька джерел живлення і сам
є об'єктом харчування для інших організмів з однієї і тієї ж харчового ланцюга
або навіть з різних (всеїдні організми, наприклад людина, ведмідь, горобець,
споживають як продуцентів, так і консументів, тобто живуть на різних
трофічних рівнях), ланцюги харчування багаторазово розгалужуються і переплітаються в
складні харчові мережі (мал. 14.7).
Рис.
14.7. Мережі харчування в екологічній системі.
Існують
два основних типи харчових ланцюгів - пасовищні (ланцюги виїданням, або ланцюга
споживання) і детрітние (ланцюги розкладання). Пасовищні ланцюга починаються з
продуцентів: конюшина -> кролик -> вовк; фітопланктон (водорості) ->
зоопланктон (найпростіші) -> плітка -> щука -> скопа.
Детрітние
ланцюга починаються від рослинних і тваринних решток, екскрементів тварин --
детриту; йдуть до мікроорганізмів, які ними харчуються, а потім до дрібних
тваринам (детрітофагам) і до їх споживачів - хижаків. Детрітние ланцюга найбільш
поширені в лісах, де більша частина (понад 90%) щорічного приросту
біомаси рослин не споживається безпосередньо рослиноїдних тваринами,
а відмирає, піддаючись розкладання (сапротрофнимі організмами) і мінералізації.
Типовим прикладом детрітной харчової зв'язку наших лісів є наступний:
листова підстилка -> дощовий черв'як -> чорний дрізд->
яструб-перепелятник. Крім дощових черв'яків, детрітофагамі є мокриці,
кльоші, ногохвосткі, нематоди та ін
Екологічні
піраміди. Харчові мережі всередині кожного біогеоценозу мають добре виражену
структуру. Вона характеризується кількістю, розміром і загальною масою організмів
- Біомасою - на кожному рівні ланцюга живлення. Для пасовищних харчових ланцюгів
характерно збільшення щільності популяцій, швидкості розмноження і
продуктивності їх біомас. Зниження біомаси при переході з одного харчового рівня
на інший обумовлено тим, що далеко не вся їжа асимілюється консументами.
Так, наприклад, у гусені, живиться листям, у кишечнику всмоктується тільки
половина рослинного матеріалу, решта виділяється у вигляді екскрементів.
Крім того, більша частина поживних речовин, всмоктується кишечником,
витрачається на дихання і лише 10-15% у кінцевому рахунку використовується на
побудова нових кліток і тканин гусениці. З цієї причини продукція організмів
кожного наступного трофічного рівня завжди менше (в середньому в 10 разів)
продукції попереднього, тобто маса кожної наступної ланки в ланцюзі харчування
прогресивно зменшується. Ця закономірність отримала назву правило
екологічної піраміди (рис. 14.8).
Рис,
14.8. Спрощена екологічна піраміда.
Розрізняють
три способи складання екологічних пірамід:
1.
Піраміда чисельностей відображає чисельне співвідношення особин різних трофічних
рівнів екосистеми. Якщо організми в межах одного чи різних трофічних
рівнів сильно розрізняються між собою за розмірами, то піраміда чисельностей
дає спотворені уявлення про істіннихсоотношеніях трофічних рівнів.
Наприклад, в співтоваристві планктону чисельність продуцентів в десятки і сотні разів
більше чисельності консументів, а в лісі сотні тисяч Консум-тов можуть
харчуватися органами одного дерева - продуцента.
2.
Піраміда біомас показує кількість живої речовини, або біомаси, на кожному
трофічні рівні. У більшості наземних екосистем біомаса продуцентів, т.
тобто сумарна маса рослин найбільша, а біомаса організмів кожного
подальшого трофічного рівня менше попереднього. Однак у деяких
спільнотах біомаса консументів I порядку буває більше біомаси продуцентів.
Наприклад, в океанах, де основними продуцентами є одноклітинні
водорості з високою швидкістю розмноження, їх річна продукція в десятки і
навіть сотні разів може перевищувати запас біомаси. Разом з тим, вся освічена
водоростями продукція так швидко втягується в ланцюзі харчування, що нагромадження
біомаси водоростей мало, але внаслідок високих темпів розмноження невеликої їх
запас виявляється достатнім для підтримки швидкості відтворення
органічної речовини. У зв'язку з цим в океані піраміда біомас має зворотну
співвідношення, тобто «перевернута». На вищих трофічних рівнях переважає
тенденція до накопичення біомаси, так як тривалість життя хижаків велика,
швидкість обороту їх генерацій, навпаки, мала, і в їхньому тілі затримується
значна частина речовини, що поступає по ланцюгах харчування.
3.
Піраміда енергії відбиває величину потоку енергії в ланцюзі харчування. На форму цієї
піраміди не впливають розміри особин, і вона завжди буде мати трикутну форму з
широкою основою внизу, як це диктується другим законом термодинаміки.
Тому піраміда енергії дає найбільш повне і точне уявлення про
функціональної організації спільноти, про всіх обмінних процесах в екосистемі.
Якщо піраміди чисел і біомас відображають статику екосистеми (кількість і
біомасу організмів в даний момент), то піраміда енергії-динаміку проходження
маси їжі через ланцюги живлення. Таким чином, підстава в пірамідах чисел і
біомас може бути більше або менше, ніж наступні трофічні рівні (в
залежно від співвідношення продуцентів і консументів в різних екосистемах).
Піраміда енергії завжди звужується догори.
витрачена на дихання, не передається на наступний трофічний рівень і йде
з екосистеми. Тому кожен наступний рівень завжди буде менше
попереднього. У наземних екосистемах зменшення кількості доступної енергії
зазвичай супроводжується зниженням чисельності та біомаси особин на кожному
трофічні рівні. Внаслідок таких великих втрат енергії на побудову нових
тканин і дихання організмів ланцюга харчування не можуть бути довгими; зазвичай вони
складаються з 3-5 ланок (трофічних рівнів).
Знання
законів продуктивності екосистем, можливість кількісного обліку потоку
енергії мають важливе практичне значення, оскільки продукція природних і
штучних спільнот (агроіенозов) є основним джерелом запасів їжі
для людства. Точні розрахунки потоку енергії і масштабів продуктивності
екосистем дозволяють регулювати в них кругообіг речовин таким чином, щоб
домагатися найбільшого виходу необхідної для людини продукції.
Список літератури
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://biology.asvu.ru
