Энергетика экосистем

Энергетика экосистем. Живые организмы, входящие в экосистемы, для своего суще­ствования должны постоянно пополнять и расходовать энергию. Растения, как известно, способны запасать энергию в химических связях в процессе фотосинтеза. Растения в процессе фотосинтеза связывают лишь небольшую часть солнечной радиации. Даже по отношению к фотосинтетичес­ки активной - это в среднем для земного шара менее 1%. Только наиболее продуктивные экосистемы, такие как плантации сахарно­го тростника, тропические леса, посевы кукурузы, в оптимальных условиях могут связывать до 3-5% ФАР.

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. Основная часть энергии, усвоенной консументом с пищей, расходуется на его жизнеобеспе­чение (движение, поддержание температуры тела и т. п.). Эту часть энергии рассматривают как траты на дыхание, с которым в конеч­ном счете связаны все возможности ее высвобождения из хими­ческих связей органического вещества. Часть энергии переходит в тело организма-потребителя вместе с увеличивающейся массой, приростом, продукцией). Некоторая доля пищи, а вместе с ней и энергия не усваиваются организмом. Они выводятся в окружающую среду вместе с продуктами жизне­деятельности (экскрементами). В последующем эта энергия выс­вобождается другими организмами, которые потребляют продук­ты выделения.

Баланс пищи и энергии для отдельного животного организма можно, таким образом, представить в виде следующего уравне­ния:

Э_п =Э_д +Э_пр +Э_пв,

где Э_п - энергия потребленной пищи, Э_д - энергия дыхания или обеспечения жизнедеятельности организма, включая движение, поддержание температуры тела, сердцебиение и т. п., Э_п - энер­гия прироста (запасенная в теле организма-потребителя), Э_пв - энер­гия продуктов выделения (в основном экскрементов).

Количество энергии, расходуемой организмами на различные цели, неоднозначно. В периоды интенсивной жизнедеятельности взрослого организма в теле его может совершенно не фиксироваться энергия. Наоборот, траты ее в ряде случаев превышают поступле­ние (организм теряет вес). В то же время в периоды интенсивного роста организмов, особенно в периоды размножения (беременнос­ти), в теле фиксируется значительное количество энергии.

Выделение энергии с экскрементами у плотоядных животных (например, хищников) невелико, у травоядных оно более значительно, а гусеницы некоторых насекомых, питающиеся растениями, выде­ляют с экскрементами до 70% энергии. Однако при всем разнооб­разии расходов энергии в среднем максимальны траты на дыха­ние, которые в сумме с неусвоенной пищей составляют около 90% от потребленной. Поэтому переход энергии с одного трофического уровня на другой в среднем принимается близким к 10% от энер­гии, потребленной с пищей. Эта закономерность рассматривается обычно как «правило десяти процентов».

Данное правило надо оценивать как относительное, ориентиро­вочное. Вместе с тем из него следует, что цепь питания имеет ограниченное количество уровней, обычно не более 4-5. Пройдя через них, практически вся энергия оказывается рассеянной и вновь поглощается растениями от солнца, чтобы включить ее в новый круговорот.

Закономерности потока и рассеивания энергии имеют важные в практическом отношении следствия. Во-первых, с энергетической точки зрения крайне нецелесообразно потребление животной про­дукции, особенно с высоких уровней цепей питания. Образование этой продукции связано с большими потерями (рассеиванием) энер­гии. Особенно велики потери энергии при переходе с первого тро­фического уровня на второй, от растений к травоядным животным.

В трофических цепях организмы связаны определенными соотношениями. В качестве классического примера в экологической литературе рассматривается цепь питания: люцерна-телята-мальчик. Показано, что если бы мальчик весом 48 кг питался только телятиной, то за год ему потребовалось бы для обеспечения жизнедеятельности 4,5 те­ленка (2250 кг), для питания которых, в свою очередь, необходим урожай люцерны с площади 4 га весом 8211 кг. Такова энергетическая цена животной пищи. Это соотношение выражают в виде экологических пирамид, которые строятся на основании чисел потребляемых организмов в каждым звеном цепи питания или массы продукции, потребляемой каждым последующим звеном. В основании пирамиды находится первое звено цепи питания, над ним располагается следующее звено, над которым, в свою очередь, третье звено и т.д. (рисунок).

Пирамида чисел Пирамида массы

Следует отметить, что при паразитических взаимоотношениях пирамида имеет перевернутый вид, так как первое (нижнее) звено – «хозяин» паразита гораздо меньше, чем последующее (верхнее), поскольку один хозяин может «прокормить» большое число паразитов

Во-вторых, чтобы сократить вероятность дефицита продуктов питания для интенсивно возрастающей численности населения (по закономерности, близкой к экспоненте), надо, чтобы в рационе лю­дей больший удельный вес занимала растительная пища. Энерге­тически идеально вегетарианство, однако в растительной пище нет многих веществ, необходимых для развития.

В-третьих, для увеличения КПД использования пищи при полу­чении животноводческой продукции в условиях культурного хозяй­ства очень важно уменьшить основную статью нерационального расходования энергии - ее траты на дыхание. Это возможно за счет поддержания оптимального температурного режима в животновод­ческих помещениях, ограничения подвижности животных и, есте­ственно, сбалансированности кормового рациона по различным эле­ментам питания, а также применения различных биотехнических приемов (умеренные добавки стимуляторов роста, веществ, спо­собствующих улучшению аппетита.

Споры о допустимо возможной численности населения с точки {рения обеспечения питанием в значительной мере относительны, если они не учитывают, какой в среднем удельный вес в рационе отводится животной и растительной пище. Если исходить из рациона питания зажиточной части населения, потребляющей мяса 80-100 кг в год на одного человека, то явно невозможно обеспече­ние таким рационом современной численности населения Земли (около 6 млрд. человек). Если же исходить из необходимости обес­печения минимальных потребностей жизнедеятельности организ­ма, при настоящем производстве продуктов питания возможно ис­ключить голод и, кроме того, прокормить на 3-4 миллиарда населения больше современного. Для этого требует решения вопрос более сбалансированного распределения продуктов питания. Пе­реход на вегетарианство и тем более расширение ассортимента растений, используемых в пищу, может обеспечить жизнедеятель­ность (с энергетической точки зрения) численности населения в 2-3 раза больше современной. Ясно, однако, что при этом останут­ся нерешенными многие медико-биологические проблемы здоро­вья и долголетия, а также допустимые пределы антропогенных нагрузок на экосистемы и биосферу в целом.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какова структура и основные свойства экосистем?

2. Охарактеризуйте связи и взаимоотношения в экосистемах

3. Энергетика экосистем: потоки энергии, правило 10 процентов