Потоки вещества и энергиив экосистемах

Сухой вес органических веществ, содержащихся в организмах экосистемы, называется биомассой. Для большинства наземных экосистем суммарная биомасса каждого последующего трофического уровня пищевой цепи уменьшается. Накопленная в течение года растениями в процессе фотосинтеза химическая энергия (или биомасса) называется чистой первичной продукцией (ЧПП). ЧПП меньше общей первичной продукции примерно на 20% – на величину энергии, которую растения используют для обеспечения собственной жизнедеятельности, роста и размножения (рис. 6.3).ЧПП – это главный источник питания для животных.

Рис. 6.3. Мировая годовая чистая первичная продукция растений наземных и морских экосистем

Наибольшимзначением чистой первичной продуктивности обладают эстуарии, болота и тропические леса (около 9000 ккал/м²∙год).

В функционирующей природной экосистеме не существует отходов. Все организмы, живые или мёртвые, потенциально являются пищей для других организмов (рис. 6.4): гусеница ест листву, дрозд питается гусеницами, ястреб съедает дрозда. Когда ястреб погибает, он перерабатывается редуцентами.

Рис. 6.4. Схема пищевой сети экосистемы суши

Последовательность организмов, в которой каждый из них съедает или разлагает другой организм, называется пищевой цепью (рис. 6.4). Пищевая цепь – это путь части потока солнечной энергии, поглощенной в процессе фотосинтеза, от растений через живые организмы в окружающую среду в виде низкоэффективной тепловой энергии. Концепция пищевых цепей и пищевых сетей помогает проследить круговорот химических элементов и потоки энергии в экосистеме.

Энергия и вещество в пределах экосистемы передаётся с одного трофического уровня на другой. В круговороте веществ участвуют три группы организмов:

- продуценты (производители) – автотрофные организмы, создающие органические вещества из неорганических в процессе фото- или хемосинтеза;

- консументы (потребители) – гетеротрофные организмы, питающиеся за счет автотрофных организмов;

- редуценты (восстановители) – животные, питающиеся разлагающимися организмами. Редуценты возвращают минеральные соли в почву, делая их доступными для продуцентов, и таким образом замыкают биотический круговорот. Экосистемы не могут обходиться без редуцентов в отличие от консументов, которые отсутствовали в экосистемах в течение первых 2 млрд лет эволюции.

Рис. 6.5. Пример пирамиды пастбищной пищевой цепи

В пастбищной пищевой сети живые растения (продуценты) поедаются фитофагами (травядными – консументами 1-го порядка), а сами фитофаги являются пищей для хищников (консументов 2-го порядка) и паразитов (рис. 6.5).

Следует отметить, что экосистемы могут существовать и без консументов. В детритной пищевой сети отходы жизнедеятельности и мертвые организмы разлагаются редуцентами (детритофагами – крабы, шакалы, муравьи, грифы и деструкторами – грибы, бактерии) до простых неорганических соединений. Деструкторы являются завершающим звеном в круговороте веществ. Без редуцентов весь мир был бы погружен в слой органических отходов.

Рис. 6.6. Редуценты (детритофаги и деструкторы), питающиеся органикой поваленного дерева

Существует закон убывания биомассы на каждом последующем трофическом уровне. С каждого трофического уровня на следующий более высокий уровень по лестнице «продуцент – консумент – редуцент» передаётся только часть энергии. Количество энергии высокого качества, переходящей из одного трофического уровняв другой, колеблется от 2 до 30% в зависимости от экосистемы. Подсчитано, что в дикой природе в организмы следующего трофического уровня переходит в среднем 10% химической энергии предыдущего уровня. Оставшиеся 90% энергии используются для поддержания жизнедеятельности (около 20%), а остальная часть теряется как тепловая энергия низкого качества.

Чем длиннее пищевая цепь, тем больше теряется полезной высококачественной энергии в окружающую среду в виде теплоты. Пирамида энергетических потоков объясняет, почему можно прокормить большее число людей, если сократить пищевую цепь до прямого потребления зерновых (например, рис – человек). Наверное, было бы хорошо, если бы все люди на Земле перестали быть хищниками, а стали бы консументами 1-го уровня.

Химическая энергия, накопленная в глюкозе и других углеводородах, используется для поддержания жизнедеятельности всеми организмами экосистемы. Кислородпотребляющие (аэробные) организмы используют глюкозу и другие органические соединения в качестве пищи (консументы) или разлагают (редуценты) на СО₂ и воду с помощью клеточного дыхания.

С₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O + энергия

Этот процесс не может отождествляться с процессом дыхания в обычном понимании. Клеточное дыхание – это постепенное сгорание (окисление) органических соединений, находящихся в клетках живых организмов. Освобождающаяся в процессе клеточного дыхания химическая энергия накапливается в молекулах АТФ и используется для обеспечения жизнедеятельности организмов. Большая часть накопленной энергии преобразуется в теплоту, которая рассеивается в окружающую среду.

В глобальном круговороте участвует множество химических элементов и соединений, наиболее важными из которых являются вода углерод, сера, азот и фосфор. С биогенными процессами связано поступление в атмосферу почти всего кислорода, а также СО₂, СН₄, N₂, H₂S и других газов.

Биогенная миграция химических элементов создала современную глобальную экосистему. За миллионы лет растения поглотили огромное количество СО₂ и одновременно обогатили атмосферу кислородом. Скелеты беспозвоночных образовали такие осадочные породы как известняк и мел, растительные осадки образовали каменный уголь и нефть. Биогенное происхождение имеет и почва.

 

Природа так обо всем позаботилась, что повсюду находишь чему научиться.

Леонардо да Винчи

На земной поверхности нет химической силы более могущественной по своим последствиям, чем живые организмы, взятые в целом.

В.И. Вернадский