Энергия в экологических системах (биогеоценозах) и их продуктивность

1. Поток солнечной энергии и синтез первичного органического вещества.

2. Понятие о трофической цепи.

3. Энергетика и продуктивность биогеоценоза. Первичная и вторичная продукция. Правило пирамид биомасс, чисел, энергий.

4. Распределение биологической продукции в экосистемах.

К числу главных вопросов теории и методологии экологии относится проблема поддержания жизнедеятельности организмов и круговорота вещества в экосистемах. Изучая данную тему, следует прежде всего усвоить, что вся жизнь на Земле существует за счет энергии солнечного излучения, которая переводится фотосинтезирующими организмами в химические связи органических соединений. Процесс фотосинтеза называется эндоэрги-ческим, поскольку он сопровождается поглощением энергии. Согласно второму началу термодинамики любые виды энергии в конечном счете превращаются в тепловую форму и рассеиваются.

Синтез органического вещества может осуществляться бактериями (нитрифицирующими, серобактериями, железобактериями).

Растения строят свой организм без посредников, их называют самопи-тающимися, или автотрофами. Они создают первичное органическое вещество, продуцируют его из неорганического и носят название продуцентов. Организмы, использующие вещество, созданное автотрофами (употребляя его в пищу), называют гетеротрофами («питаемый другими»), или консументами. Продуценты и консументы образуют два звена трофической цепи, или цепи питания. Цепи бывают относительно простыми, короткими и более сложными. Разные трофические цепи связаны между собой общими звеньями, образуя очень сложную систему, называемую трофической сетью.

Частичная или полная замена созданного в процессе питания органического вещества происходит благодаря особому звену трофической цепи – звену редуцентов.

Трофическая цепь в биогеоценозе есть одновременно цепь энергетическая. Академик С.С. Шварц назвал биогеоценоз «машиной по трансформации вещества и энергии». В биогеоценозе (экосистеме) существует непрерывный поток энергии, заключающийся в передачи 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 ее потерями и возрастанием энтропии. Это рассеивание все время компенсируется поступлением 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

Р=П+Д+Н,

где Р – рацион консументов, П – продукция, Д – траты на дыхание, Н – энергия неусвоенной пищи.

Рассматривая данный вопрос, очень важно обратить внимание на то, что основная часть потребляемой с пищей энергии у животных идет на поддержание жизнедеятельности и лишь сравнительно небольшая – на построение тела, рост и размножение. По грубым подсчетам, потери энергии составляют около 90% при каждом акте ее передачи через трофическую цепь. Таким образом, запас энергии накопленной зелеными растениями, стремительно иссякает в 4-5-м звеньях цепи питания. Ее потери могут быть восполнены только поступление новых порций. Поэтому в экосистемах круговорот энергии отсутствует. Экосистема функционирует только за счет направленного потока энергии, постоянного поступления ее из вне в виде солнечного излучения или готовых запасов органического вещества (рис.2).

Рис. 2 – Схема распределения потоков вещества и энергии среди продуцентов и консументов

(по Ю. Одуму, 1971)

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 сельскохозяй-ственные культуры, с тем чтобы обеспечить комами скот, а следовательно, потребность населения в животном белке.

Мировое распределение первичной биологической продукции крайне неравномерно. 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 10-12% энергии фотосинтетически активной радиации (ФАР), что составляет 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 около 0,8%: от 1,8-2,0% на Северном Кавказе до 0,1-0,2% в пустынях и тундрах.

Питание людей обеспечивается в основном сельскохозяйственными культурами, занимающими примерно 10% площади суши. Около половины урожая идет на питание людей, остальная часть – на корм домашним животным, используется в промышленности и теряется в отбросах. Всего человек потребляет 0,2 % первичной продукции Земли.

Таким образом, изучение потока энергии является фундаментом детального анализа для установления зависимости полезных для человека конечных продуктов от функционирования всей экологической системы в целом.

Литература по теме

1. Одум Г., Одум Э. Энергетический базис человека и природы. М., 1978.

2. Одум Ю. Основы экологии. М.: Мир, 1975. С. 52-113.

3. Одум Ю. Экология: В 2 т. М.: Мир, 1986. Т. 1. С. 104-199.

4. Реймерс Н. Ф. Начала экологических знаний: Учеб. пособие. М.: Изд-во МНЭПУ. 1993. 262 с.

5. Реймерс Н. Ф. Экология (теории, законы, правила, принципы и Гипотезы). М.: Россия молодая, 1994, 367 с.

6. Риклефс Р. Основы общей экологии. М.: Мир. 1979. С.112-153.

7. Чернова Н. М., Былова А.М. Общая экология / М.: Дрофа, 2007. – 408 с.

Дата добавления: 2014-12-27