Энергетика экосистем

Основные закономерности превращения энергии в природных экосистемах

Понятие «экосистема» было введено в науку английским ученым А.Тенсли в 1935 году. Экосистема включает в себя все живые организмы, совместно функционирующие на какой-либо конкретной территории, а также компоненты неживой природы, определяющей характер местности, в которой она расположена. Организменная часть экосистемы взаимодействует с ее неживыми составляющими, в результате чего под воздействием энергии, притекающей извне, происходит круговорот веществ между живой и неживой частями экосистемы и складывается ее внутренняя структура. Экосистема – основная функциональная и структурная единица живой природы, носитель ее элементарных свойств. Экосистемы различаются между собой по размерам, самой крупной экосистемой является биосфера.

В любой экосистеме следует выделить несколько составляющих ее компонентов. Первый из них – неорганические вещества (углерод, кислород, азот, углекислый газ, вода и т.д.). Затем следуют органические соединения (белки, жиры, углеводы и др.), являющиеся связующим звеном между живой (биотической) и неживой (абиотической) частями экосистемы. К важным ее элементам относятся физические факторы абиотической среды (температура, влажность, давление и др.). Биотическая часть экосистемы состоит из живых организмов, подразделяющихся на три основные категории:

1. Продуценты – организмы, поддерживающие свою жизнедеятельность путем производства из неорганических веществ органических при помощи химической реакции фотосинтеза, для осуществления которой необходим приток световой энергии.

2. Консументы – живые существа, поедающие другие организмы или частицы органического вещества и обеспечивающие себя необходимой энергией.

3. Редуценты – организмы, питающиеся останками растений и животных и разлагающие их до простых минеральных веществ, которые могут легко усваиваться продуцентами.

Продуценты называются автотрофами, так как они самостоятельно вырабатывают органическое вещество, а консументы и редуценты - гетеротрофами, т.к. они потребляют готовое органическое вещество. Продуценты, консументы и редуценты образуют собой так называемую биомассу. Совокупность всех данных элементов составляет структуру экосистемы.

Энергия поступает в экосистему извне, подвергается преобразованию и выделяется из нее. Приток солнечной энергии – единственный источник энергии для биосферы, определяющий продуцирование живой материи, так как от него зависит вся активность фотосинтетических механизмов. При постоянстве других экологических факторов ассимиляция хлорофиллов в определенном биотопе будет тем интенсивнее, чем больше солнечной энергии поступает на Землю.

Подобное соответствие наблюдается на континентах в экваториальных районах, где в течение всего года приток световой энергии максимален. Более 30% солнечного излучения, достигающего верхней границы стратосферы, сразу же отражается самой атмосферой и облаками в космическое пространство. Около 8% солнечной радиации поглощается пылью, взвешенной в воздухе. Более 10% приходящего излучения поглощается водяным паром, озоном и другими газами. И только 52% солнечного излучения достигает поверхности Земли. Но и на этом уровне около 10% излучения теряется на отражение (альбедо), и почти половина используется как источник тепла в процессах транспирации и испарения. Окончательно в распоряжении экосистем остается только 40% излучения, из которых едва лишь четверть используется растениями и стимулирует фотосинтез.

Хлорофилл и другие близкие ему пигменты поглощают энергию, сосредоточенную в длинах волн 0,4…0,5 мкм (голубые) и 0,61…0,69 мкм (красные). Поэтому в реальных условиях только 10% энергии, получаемой растениями (в видимой области спектра), действительно трансформируются в биомассу. Если соотнести количество энергии, преобразованной в органические вещества хлорофиллоносными растениями, с общим количеством солнечной энергии, достигающей поверхности земли, то коэффициент полезного действия фотосинтеза оказывается очень низким (0,1…1,6 %). Энергия, улавливаемая растениями, составляет в среднем 1% приходящего солнечного излучения. 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.

В процессе производства биологического вещества в экосистеме выделяют четыре последовательных уровня:

1. Валовая первичная продуктивность – скорость накопления в процессе фотосинтеза органического вещества (биомассы).

2. Чистая первичная продуктивность – скорость накопления органического вещества в организмах продуцентов за вычетом той части, которая была израсходована ими на дыхание.

3. Вторичная продуктивность сообщества – скорость накопления органического вещества на уровне консументов, которые, как известно, питаются готовой биомассой.

4. Чистая продуктивность сообщества – скорость накопления органического вещества, не потребленного гетеротрофами. Другое название чистой продуктивности сообщества – урожай на корню.

Продуктивность экосистемы зависит от ряда факторов. Высокие скорости продуцирования наблюдаются в экосистемах, где физические факторы благоприятны, особенно в случаях поступления в экосистему дополнительной энергии извне. Поступление энергии со стороны абиотических компонентов экосистемы уменьшает затраты живых организмов на поддержание собственной жизнедеятельности. Для оценки продуктивности экосистемы необходимо также учитывать утечку энергии с урожаем продукции, а также стрессовые воздействия, которые уменьшают долю энергии, задействованной в процессе производства биомассы.

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

1 вид. 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 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 участника 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 – тля – божья коровка – паук – 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 вид. 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.

Пастбищные и детритные 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 несколько консументов, которые в свою очередь могут иметь несколько источников питания.

В пищевых цепях образуются так называемые трофические уровни. Они 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 и т.д.

Перенос энергии в экосистеме осуществляется через пищевые цепи. Но далеко не вся энергия предыдущего трофического уровня переходит на следующий. Поступление и расход энергии можно рассмотреть с помощью универсальной модели потока энергии. Она применима к любому живому компоненту экосистемы: растению, животному, микроорганизму, популяции или трофической группе. Универсальную модель потока энергии можно интерпретировать двояко. Во-первых, она может представлять популяцию какого - либо вида. Во-вторых, она трактуется как изображение какого-либо трофического уровня. Зная универсальную модель потока энергии, можно определить отношение величин энергетического потока в разных точках пищевой цепи. Выраженные в процентах эти отношения называют экологической эффективностью. Следует отметить, что на энергетические характеристики экосистемы оказывают влияние размеры организмов, населяющих экосистему. Установлена зависимость между размером организма и его удельным метаболизмом.

Чем мельче организм, тем выше его удельный метаболизм и, следовательно, тем меньше биомасса, которая может поддерживаться на данном трофическом уровне экосистемы. Другая картина открывается при рассмотрении продуктивности, так как продуктивность – это скорость прироста биомассы и она больше у мелких животных, которые имеют более высокие темпы размножения и обновления биомассы.

В связи с потерей энергии внутри пищевых цепей и зависимостью метаболизма от размера особей каждое биологическое сообщество приобретает определенную трофическую структуру, которая может служить характеристикой экосистемы. Трофическую структуру можно изобразить графически в виде пирамид, основанием которых служит первый трофический уровень (уровень продуцентов), а последующие трофические уровни образуют «этажи» пирамиды. Выделяют три типа экологических пирамид:

1. Пирамида численности.

2. Пирамида биомассы.

3. Пирамида энергии.

Знание основных законов превращения энергии в экосистеме способствует лучшему пониманию процессов ее функционирования. Это особенно важно в связи с тем, что вмешательство человека в ее естественную «работу» может привести экологическую систему к гибели. Именно поэтому человек должен уметь заранее прогнозировать результаты своей деятельности, а научное представление об энергетических потоках в экосистеме сможет обеспечить большую их точность.

Дата добавления: 2014-01-04