Энергетика экосистем и их продуктивность.

Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот вещества в экосистемах возможны только за счет постоянного притока энергии. Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ. Энергия определяется через способность совершать работу. Понятие «работы» применимо к любому процессу, протекающему в живой системе с потреблением энергии, начиная от процессов на клеточном уровне и кончая процессами на уровне целого организма (рост, развитие, размножение). Живые организмы нуждаются в энергии для поддержания жизни точно так же, как машины для того, чтобы работать. Всю экосистему можно уподобить единому механизму, потребляющему энергию и питательные вещества для совершения работы. Питательные вещества первоначально происходят из абиотического компонента системы, в который потом возвращаются либо в качестве отходов жизнедеятельности, либо после гибели и разрушения организмов. Таким образом, в экосистеме происходит постоянный круговорот питательных веществ, в котором участвуют живые и неживые компоненты. Движущей силой этих круговоротов служит энергия Солнца. Фотосинтезирующие организмы (растения) непосредственно используют энергию солнечного света, переводя ее в химические связи органических соединений, и затем передают ее другим представителям биотического компонента. В итоге создается поток энергии и питательных веществ через экосистему.

Каждая экосистема содержит совокупность животных и растительных организмов, которые по правилам питания можно разделить на две группы:

1. Автотрофы(кормящие сами себя) – зеленые растения, способные осуществлять фотосинтез и использующие минеральные элементы для роста и воспроизводства.Фотосинтез– это сложный процесс превращения воды и углекислого газа в сахара с помощью солнечной энергии. Простые химические вещества, из которых состоят воздух, вода и минералы горных пород и почвы, превращаются в сложные соединения типа белков, жиров и углеводов, называемые органическими. Автотрофные растения – это продуцентыэкосистемы (от лат. producens –производящий), создающие органические вещества из неорганических. Из этих органических веществ и образуются ткани растений и животных. Фотосинтезирующие растения продуцируют пищу для всех остальных организмов экосистемы, поэтому их называют продуцентами;

2. Гетеротрофы (питающиеся другими) – организмы, которым для питания необходимы органические вещества. Эти организмы имеют значительно более сложный обмен веществ. В свою очередь все гетеротрофы подразделяются на организмы – потребители (консументы) и организмы, разлагающие органические вещества на исходные неорганические компоненты (редуценты).

Консументы(от лат. consumo – потребляю) – это организмы, потребляющие органические вещества. Различают консументы первого порядка – (растительноядные, фитофаги); второго порядка – (плотоядные, животные, питающиеся фитофагами), а также всеядные (или эврифаги), которые могут поедать как растительную, так и животную пищу (лисы, свиньи, тараканы и др.) и третьего порядка (вторичные хищники).

Редуценты(от лат. reducens – возвращающий, восстанавливающий) – организмы, разлагающие мертвое органическое вещество. К ним относятся всевозможные сапрофитные бактерии, грибы и животные – детритофаги, питающиеся мертвым или частично разложившимся органическим веществом – детритом. В почве это мелкие беспозвоночные, питающиеся отбросами, например, мелкие клещи, земляные черви, многоножки. В водных системах – моллюски, крабы и черви; при гниении – бактерии; при разложении растительного опада – грибы. По составу и активности сообщества редуцентов не менее разнообразны, чем другие сообщества, но гораздо менее знакомы обычному человеку.

Перенос энергии пищи от источников (автотрофов) через ряд организмов, происходящих путем поглощения одних организмов другими, называется пищевой (трофической) цепью, а каждое ее звено –трофическим уровнем.Первичный трофический уровень занимают автотрофы (продуценты).Организмы второго трофического уровня называют первичными консументами, третьего – вторичными консументами и т. д. Обычно бывает четыре или пять трофических уровней и редко больше шести.

В схемах пищевых цепей каждый организм бывает представлен как питающийся другими организмами какого-то одного вида. Однако реальные пищевые связи в экосистеме намного сложнее. В действительности пищевые цепи переплетаются таким образом, что образуется пищевая (трофическая) сеть.

Для изучения взаимоотношений между организмами в экосистеме и для графического представления удобнее использовать не схемы пищевых связей, а экологические пирамиды.

Количество организмов на данном трофическом уровне может быть представлено в виде прямоугольника, длина которого пропорциональна числу организмов, обитающих на данной площади – пирамиды численности. Существует ряд неудобств, связанных с использованием этих пирамид, избежать которые можно путем построения пирамид биомассы, или пирамид энергии (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Трофические пирамиды:

А – пирамиды чисел; Б – сравнение пирамид чисел, биомасс и энергии для гипотетической пищевой цепи «люцерна-скот-человек» (на 4 га) (масштаб логарифмический)

Скорость накопления энергии первичными продуцентами в форме органического вещества, которое может быть использовано в пищу, называется первичной продуктивностью. Это важный параметр, так как им определяется общий поток энергии через биотический компонент экосистемы, а значит, и количество (биомасса) живых организмов, которые могут существовать в экосистеме. Количество солнечного света, падающего на растения, различно. Оно зависит от географической широты и от степени развития растительного покрова. Примерно 95 – 99 % этого количества сразу отражается, поглощается с переходом в тепло или расходуется на испарение воды, и лишь 1 – 5 % поглощается хлорофиллом и используется для синтеза органических молекул. Скорость, с которой растения накапливают химическую энергию, называется валовой первичной продуктивностью (ВПП). Это энергия, которую могут использовать организмы следующих трофических уровней.

Животные, как и растения, теряют часть энергии при дыхании. Энергия, оставшаяся после потерь, связанных с процессами дыхания, пищеварения и экскреции, идет на рост, поддержание жизнедеятельности и размножение.

Количество органического вещества, накопленного гетеротрофными организмами, называется вторичной продукцией (на любом трофическом уровне).

У животных и растений возникло огромное количество взаимных адаптаций (приспособлений), определяемых трофическими связями. Существует четкая экологическая закономерность, называемая пирамидой чисел, согласно которой количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев, неуклонно уменьшается. Например, на 1 волка в северных лесах приходится около 100 лосей, на каждого крупного хищника (льва, леопарда, гепарда) в саваннах Африки – от 350 до 1000 диких животных. Располагая данными о численности волка и его суточной потребности в пище, приблизительно рассчитано, что в течение календарного года 2400 особей уничтожают 7480 кабанов, 5560 лосей, 4020 косуль. Последовательное уменьшение количества животных в цепи питания сопровождается соответственным снижением их общей биомассы, а это приводит к сокращению потока энергии в экосистеме.

Одна из причин, которые побуждают изучать поток энергии, проходящей через экосистему – это возможность применения полученных знаний для удовлетворения потребности человека в пище и энергии. Научный анализ позволяет оценивать традиционные методы агротехники и вносить усовершенствования для повышения их эффективности

Совокупность множества параметров среды, определяющих условия существования того или иного вида и его функциональные характеристики (преобразование им энергии, обмен информацией со средой и себе подобными и др.), представляют собой экологическую нишу. Экологическая ниша включает не только положение вида в пространстве, но и функциональную роль его в сообществе (например, трофический уровень, или место в пищевой цепи) и его положение относительно абиотических условий существования (температура, влажность и т. п.). По Н. Ф. Реймерсу, экологическая ниша – это совокупность условий жизни внутри экологической системы, предъявляемых к среде видом или его популяцией. Таким образом, каждый вид в среде, где он обитает, занимает место, которое обусловлено его потребностью в пище, территории, связано с функцией воспроизводства. Такие экологические связи создают определенную структуру биоценоза. Биоценозы – динамические системы, они находятся в постоянном развитии, им свойственна сукцессия.

Сукцессия(от лат.succesio– преемственность) – последовательная смена одного биоценоза другим. Суть этого явления заключается в том, что под влиянием внутреннего развития биоценозов, их взаимодействия с окружающей средой, они постепенно «стареют» и сменяются другими типами биоценозов. Так, озеро, зарастая, превращается в болото; болото, высыхая, трансформируется в луг; в лесу после пожара сменяются породы.

Важное экологическое положение состоит в том, что чем разнороднее и сложнее биоценоз, тем выше его устойчивость, способность противостоять различным внешним воздействиям.

Устойчивость экосистем характеризует так называемый принцип Ле Шателье (Брауна):при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении, при котором эффект внешнего воздействия уменьшается. На биологическом уровне он реализуется в виде способности экосистем к саморегуляции.

Устойчивость природных биоценозов определяется тем, что слагающие их виды в процессе эволюции приспособились друг к другу настолько, что стали заботиться о целостности, структуре своего биоценоза. Взаимоотношения между хищником и его добычей, или жертвой, является примером так называемой обратной связи, при которой один вид наносит ущерб другому и не может жить без него. Еще один пример. В годы, когда растительная пища для какого-либо вида насекомого в избытке, популяция его быстро размножается. В системе проявляется положительная сторона обратной связи, которая стремится вывести ее из равновесия. Но резко возросшая численность популяции приводит к столь же резкому снижению запасов растительной пищи, в результате нехватки которой в системе обнаруживается отрицательная обратная связь, возвращающая ее в исходное состояние.