Пищевые цепи и потоки энергии в экосистемах

Жизнь на Земле существует за счет солнечной энергии. Благодаря солнечной энергии, растения синтезируют органические соединения, которыми питаются травоядные животные, травоядными питаются хищники. т.е. растения «кормят» весь живой мир, солнечная энергия, аккумулированная в химических веществах синтезированных растениями, передается всем живым организмам. Процесс передачи энергии от одних организмов к другим организмам осуществляется по пищевой (трофической) цепи. Примером длинной пищевой цепи может служить последовательность обитателей арктического моря: «микроводоросли (фитопланктон) → мелкие растительноядные ракообразные (зоопланктон) → планктонофаги (черви, ракообразные, моллюски, иглокожие) → рыбы (возможны 2-3 звена последовательности хищных рыб) → тюлени → белый медведь. Цепи питания в наземных экологических системах обычно короче, например, лишайник → олень → волк.

Место каждого звена в пищевой цепи называется его трофическим уровнем. Все организмы, пользующиеся одним типом пищи, принадлежат к одному трофическому уровню. Все продуценты относятся к первому трофическому уровню, все растительноядные животные (консументы 1-го порядка) ко второму трофическому уровню и т.д.

В экологических системах существует два вида пищевых цепей: пастбищные и детритные. Пастбищные цепи всегда начинаются с живых фотосинтезирующих растений. Например, сок розового куста→тля→божья коровка→паук→насекомоядная птица→хищная птица. Детритные цепи начинаются с остатков отмерших растений, трупов и экскрементов животных. Например, мертвое животное→личинки падальных мух→травяная лягушка→обыкновенный уж.

Как правило, организмы природных экосистем вовлечены в сложную сеть многих связанных между собой пищевых цепей. Такая сеть называется пищевой сетью.

Солнце дарит Земле колоссальное количество энергии. Достигающее биосферы излучение несет энергию около 2,5 *10²⁴ Дж в год. И только порядка 1 % от общего количества энергии, поступающей от Солнца к Земле, используется растениями в процессе фотосинтеза. Дальнейшая судьба этой энергии, заключенной в химических соединениях, зависит от передачи ее по пищевой цепи.

С каждым переходом из одного трофического уровня в другой в пределах пищевой цепи или сети совершается работа и в окружающую среду выделяется тепловая энергия, а количество энергии высокого качества, используемой организмами следующего трофического уровня, снижается.

Чем длиннее пищевая цепь, тем больше теряется полезной высококачественной энергии и тем меньше полезной энергии достается конечному потребителю. Потери полезной энергии на каждом трофическом уровне составляют порядка 90%, т.е. организму следующего трофического уровня достается не более 10% от той энергии, которая поступила организму предыдущего трофического уровня. Эту закономерность часто называют «правилом 10%». Впервые это правило сформулировал Р. Линдеман в 1942 году. Например, если калорийность продуцента 1000 Дж, то при поедании его фитофагом в его теле остается 100 Дж, при поедании фитофага хищником в теле хищника останется 10Дж, а если этот хищник будет съеден другим хищником, то в его теле останется только 1 Дж. С чем же связаны такие большие потери энергии в пищевой цепи? Пища, поглощаемая консументом, усваивается не полностью: от 12 до 20% у некоторых растительноядных, до 75% и более у плотоядных. Энергетические затраты организма связаны прежде всего с поддержанием метаболических процессов, для чего необходимо осуществлять дыхание. Значительно меньшая часть поступивших в организм пищевых веществ идет на образование тканей и некоторого запаса питательных веществ, т.е. на рост. Часть полезной энергии теряется с экскрементами. Кроме того, значительная часть энергии рассеивается в виде тепла при химических реакциях в организме и, особенно, при мышечной работе. В конечном итоге, большая часть энергии, использованной на поддержание процессов метаболизма, превращается в тепловую энергию, которая рассеивается в окружающей среде.

Все вышесказанное позволяет сделать важный вывод: природные экологические системы являются открытыми системами. В них формируется круговорот веществ, но нет круговорота энергии. Поступающая в них солнечная энергия, проходя по пищевой цепи, рассеивается в виде тепловой энергии в окружающей среде, а для поддержания жизни в экосистеме необходимо постоянное поступление солнечной энергии к продуцентам.

Для поддержания равновесия в искусственных экологических системах требуется дополнительная энергия. Например, вспашка поля требует энергии сжигаемого топлива и др.

Дата добавления: 2014-01-07