Круговорот веществ и поток энергии в экосистемах

Вне зависимости от величины и степени сложности эко­системы являются открытыми системами и в большей или меньшей степени требуют постоянного притока энергии и различных веществ. В процессе жизнедеятельности орга­низмов происходит постоянный приток энергии и кругово­рот веществ, причем каждый вид использует лишь часть со­держащейся в органических веществах энергии. Происхо­дит этот процесс через цепи питания (трофические уровни), представляющие собой последовательность видов, извлека­ющих органические вещества и энергию из исходного пище­вого вещества; при этом каждое предыдущее звено стано­вится пищей для следующего (рис. 24).

Круговорот веществ — это перемещение вещества в форме химических элементов и их соединений от проду­центов к редуцентам, через консументы или без них и опять к продуцентам. Растения — автотрофные организ­мы, способные в процессе фотосинтеза синтезировать орга­нические вещества из неорганических, поэтому их называ­ют продуцентами, или производителями.

Рис. 24. Поток энергии и круговорот веществ в экосистеме

Растения используются в качестве пищи животными, ко­торые сами не способны к синтезу органики из неорганики. Такие гетеротрофные организмы называют консументами, или потребителями. Бактерии и грибы выполняют главную

роль в разложении отмершей органики на исходные неорга­нические вещества, возвращая их в среду. Поэтому их назы­вают деструкторами или редуцентами, т. е. разрушителя­ми или восстановителями.

Итак, органическое вещество, образованное растениями, переходит в тело животных, а затем при участии бактерий вновь превращается в неорганические вещества, усваивае­мые растениями. Таким образом в экосистеме осуществля­ется круговорот веществ.

Поток энергии — переход энергии в виде химических свя­зей органических соединений (пищи) по цепям питания от одного трофического уровня к другому (более высокому) (рис. 25). Солнце является единственным источником энер­гии на Земле. Оно обеспечивает постоянный, непрерывный, незамкнутый приток энергии на Землю. В отличие от ве­ществ, которые циркулируют по звеньям экосистемы и вхо­дят в круговорот, используясь многократно, энергия может быть использована только один раз.

Для понимания процессов потока энергии в экосистемах важно знать законы термодинамики. Первый закон термо­динамики гласит, что энергия не может создаваться заново и не исчезает, а только переходит из одной формы в другую. Поэтому энергия в экосистеме не может появиться сама со­бой, а поступает в нее извне — от Солнца.

Рис. 25. Поток энергии в экосистеме

Второй закон термодинамики гласит, что процессы, свя­занные с превращениями энергии, могут протекать само произвольно лишь при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную. В соответствии с этим законом растениями используется лишь часть посту­пающей в экосистему солнечной энергии. Остальная энер­гия рассеивается и переходит в тепловую, которая расходу­ется на нагревание среды экосистемы. Небольшая часть сол­нечной энергии, поглощенная растением, расходуется на продукционный процесс, т. е. образование биомассы. Далее, переходя на следующие трофические уровни, вместе с пи­щей в виде химических связей, энергия также рассеивается и уменьшается в количестве, пока полностью не рассеется.

Пищевая цепь — основной канал переноса энергии в экосистеме. Растения являются первичными поставщика­ми энергии для всех других организмов в цепях питания. Существуют определенные закономерности перехода энер­гии с одного трофического уровня на другой вместе с по­требляемой пищей. Во-первых, основная часть энергии, усвоенная консументом с пищей, расходуется на его жиз­необеспечение (движение, поддержание температуры и т.п.). Эту часть энергии рассматривают как траты на дыха­ние. Во-вторых, часть энергии переходит в тело организма потребителя «в запас». В-третьих, некоторая доля пищи не усваивается организмом, следовательно, из нее не вы­свобождается энергия. В последующем она высвобождает­ся из экскрементов, но другими организмами (деструкто­рами), которые потребляют их в пищу. Выделение энергии с экскрементами у хищников невелико, у травоядных оно более значительно. Например, гусеницы некоторых насе­комых, питающиеся растениями, выделяют с экскремен­тами до 70% энергии.

В каждом звене пищевой цепи большая часть энергии расходуется в виде тепла, теряется, что ограничивает число звеньев. В среднем, максимальные траты на дыхание в сум­ме с неусвоенной пищей составляют около 90% от потреб­ленной. Поэтому переход энергии с одного трофического уровня на другой составляет всего около 10% энергии, употребленной в пищу. Нетрудно подсчитать, что энергия, доходящая до 5 уровня, составляет всего 0,01% энергии, поглощенной продуцентами. Эта закономерность называет­ся «правилом десяти процентов». Она показывает, что цепь питания имеет ограниченное число звеньев, обычно не бо­лее 4—5. Пройдя через них, практически вся энергия ока-

зывается рассеянной. Поэтому необходим постоянный при­ток энергии, чтобы экосистема могла существовать.