Лекция №2 энергетика экосистемы

1. Энергетика экосистемы

2. Жизнь как термодинамический процесс

3. Экологическое равновесие и его нарушение

4. Биологическая продуктивность экосистемы

5. Экологические пирамиды

ЭНЕРГЕТИКА ЭКОСИСТЕМЫ

Энергия передается от организма к организму, создавающих трофическую цепь, с одного трофического уровня на другой. Трофический уровень – это место каждого звена в пищевой цепи.

1-й трофический уровень продуценты.

2-й трофический уровень растительноядные консументы.

3-й трофический уровень плодоядные консументы.

Существуют определенные закономерности перехода энергии с одного уровня на другой вместе с пищей. Основная часть энергии, усваиваемая консументом с пищей, расходуется на его жизнедеятельность (траты на дыхание, Эд), другая часть энергии переходит в тело (организм) потребителя вместе с увеличением массы - энергия прироста (Эпр) и некоторая часть пищи и связанная с ней энергия не усваивается организмом, она выводится в окружающую среду вместе с продуктами проявления жизнедеятельности (Эпв). Эп – энергия потребл. пищей. (Эп(100%)=(Эд+Эпв)(90%) + Эпр(10%)). В последствии эта энергия усваивается другими организмами. Эпв - продукты выделения. Т.к. большая часть энергии при переходе с одного трофического уровня на другой трофический уровень теряется на следующий уровень переходит только 10% энергии от предыдущего уровня, из этого следует, что цепь питания имеет ограниченное число уровней (4,5), пройдя через них энергия рассеивается. Закономерности потока и рассеивания энергии имеют важные следствия: образование продукции связанно с рассеиванием энергии и особенно велики потери при переходе с первого уровня на второй. Например: растения, травоядные.

Не продуктивно потребление пищи с больших трофических уровней. Образование этой продукции связанно с рассеиванием энергии и особенно велики потери при переходе с 1-го уровня на второй.

ЖИЗНЬ КАК ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

Термодинамика – это наука об энергии, о принимаемых ею формах, и о правилах ограничивающих превращение энергии из одной формы в другую.

1-е начало термодинамики:

Закон сохранения и превращения энергии, т.е. энергия переходит из одного состояния в другое, она не возникает, и не исчезает в ничего. Для 1-го начала термодинамики приминительно к живым организмам: в живом организме в процессе фотосинтеза солнечная энергия преобразуется в энергию химических связей, созданного автотрофом органического вещества, которая в последствии переходит от автотрофов к гетеротрофам, не исчезает, а переходит в другие формы, в том числе в тепловую форму, т.е. рассеивается.

2-е начало термодинамики:

Согласно 2-у началу термодинамики, если температура какого-либо тела выше, чем температура окружающей среды, то общая температура всей системы стремится к термодинамическому равновесию: тело будет отдавать энергию до тех пор, пока его температура не станет равной температуре окружающей среды. После чего наступает состояние термодинамического равновесия, и дальнейшие энергетические процессы оказывают невозможное.

О такой системе говорят, что она находится в состоянии максимальной энтропии. Энтропия отражает возможности превращения энергии, и рассматривается как мера неупорядоченной системы, хаоса. Для того, чтобы энтропия системы не возрастала, система должна извлекать упорядоченность организации из вне, т.е. извлекать из окружающей среды отрицательную энергию (негэнтропию). И живые организмы должны выполнять работу против уравновешивания с окружающей средой за счет образования сложноорганизованных упорядоченных молекулярных структур, и для производства этой работы экосистема должна получать собственную энергию или от солнца, если система автотрофна, или извлекая негэнтропию из растительной и животной пищи, используя упорядоченность химических связей, если система гетеротрофна. Возможен случай, когда вся накопленная энергия организма или системы полностью превратиться в тепловую энергию и рассеется. Это произойдет при гибели организма. При этом упорядоченный поток энергии прекращается, химические связи между молекулами разрушаются. Согласно 2-у началу термодинамики энергия любой системы стремится к термодинамическому равновесию, что равнозначно максимальной энтропии. В такое состояние перейдет и живой организм, если лишить его возможности извлекать энергию из окружающей среды.

О такой системе говорят, что она имеет максимальную энтропию.

Энтропия – отражает возможность превращения энергии, и рассматривается как мера хаоса неупорядоченной системы.

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ И ЕГО НАРУШЕНИЕ

Экологическое равновесие (э.р.) - состояние экосистемы, при котором состав и продуктивность биотической части в каждый конкретный момент времени наиболее соответствует абиотическим условиям (почва, климат). Главная особенность э.р. –подвижность.

Различают 2-а вида подвижности экологического равновесия:

- обратимые изменения в экосистеме.

- экологические сукцессии

1) Обратимые изменения в экосистеме – изменения экосистемы, например, в течении года от весны к весне, колебании климата в разные годы, изменении роли некоторых видов в связи с ритмами их жизненного цикла. При таких изменениях видовой состав экосистемы сохраняется. Она лишь подстраивается к колебаниям внутренних и внешних факторов.

2) Сукцессия – процессы последовательной смены биоценозов протекающее под влиянием внутренних и внешних факторов.

В ходе сукцессии – возрастает продуктивность биоценоза, увеличивается его видовое разнообразие. Однако, прогрессивными процессами характеризуются только сукцессии, связанные с естественными постепенными воздействиями. Если же проходит быстрое массированное нарушение равновесия, часто при вторжении человека, системы не могут восстановить равновесие на прежнем уровне. В лучшем случае они заменяются другими менее продуктивными, в худшем происходит опустынивание т.е. уничтожение или резкое снижение биомассы экосистемы, с невозможностью ее самовосстановления.

Экологическое равновесие характеризуется 2-мя важными признаками:

1-е постоянство циклов питания элементов

2-е полное рассеивание поступившей в экосистему энергии.

Первый признак касается различных биогенных элементов (азота, углерода) в ходе их круговорота второй признак: экосистема поддерживает равновесие за счет того, что в нее поступает новая солнечная или хим. связанная энергия, которая затем рассеивается, переходя в другие виды энергии.

Э.р поддерживается в экосистеме сложными, механизмами взаимоотношений между живым организмами и неживой природой. Сложные механизмы поддерживают равновесие и изменение экосистемы в ходе сукцессии, делают экосистему тонким индикаторам экологических условий.

В целом экосистема обладает свойствами саморегуляции, т.е. автоматически устанавливать и поддерживать на относительно постоянном уровне показатели численности, рождаемости и смертности, входящих в нее популяций.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОДУКТИВНОСТЬ ЭКОСИСТЕМЫ

Одним из важнейших свойств организма – является способность создавать органическое вещество или продукцию. Образование продукта в единицу времени или единицу площади, объема – называется продуктивностью экосистемы. Продукция растений первична, продукция животных вторична.

Биомасса экосистемы – вся живая масса, которая содержится в системе независимо оттого, в какой период она образовалась. Она измеряется в Дж, калориях.

В экосистеме представленной однолетними организмами их годичная продуктивность и биомасса совпадает.

Соотношение биомассы и годовой продукции можно выразить формулой Б=∑А-∑Д

Б - биомасса в данный момент времени

А - годовая продукция

Д - траты на дыхание – это масса живого веществ,а затрачиваемая на жизнедеятельность организма

Первичная продукция делится на 2-а уровня:

-Валовую

-Чистую

Валовая - общая масса валового органического вещества, создаваемая растением в единицу времени, при данной скорости фотосинтеза, включая траты на дыхание.

Та часть валовой продукции, которая не израсходована на дыхание, называется чистой первичной продукцией.

Вторичная продукция уже не делится (т.е. все гетеротрофы увеличивают свою массу за счет первичной продукции.

На образование биомассы расходуется не вся энергия, а та часть, которая создает первичную продукцию и может расходоваться в различных экосистемах по-разному. Если скорость ее изъятия консументами отстает от скорости прироста растений, это ведет к приросту биомассы продуцента, и возникает избыток мертвого органического вещества.

В стабильных сообществах вся продукция тратится в трофических цепях, и биомасса остается постоянной.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПИРАМИДЫ

Функциональные взаимосвязи, т.е. трофическую структуру, можно изобразить графически, в виде так называемых экологических пирамид. Основанием пирамиды служит уровень продуцентов, а последующие уровни питания образуют этажи и вершину пирамиды. Известны три основных типа экологических пирамид:

1) Пирамида чисел, отражающая численность организмов на каждом трофическом уровне (пирамида Элтона)

2) Пирамида биомассы, характеризующая массу живого вещества, калорийность на каждом троерическом уровне и.т.д.

3) Пирамида продукта (или энергии), имеющая универсальный характер показывающая изменение первичной продукции (или энергии) на последовательных трофических уровнях.

Пирамида чисел отображает отчетливую закономерность обнаруженную Элтоном: количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается. В основе этой закономерности лежит во-первых, тот факт, что для уравновешивания массы большого тела необходимо много маленьких тел, во-вторых, от низших трофических уровней к высшим теряется количество энергии (от каждого уровня до последующего доходят лишь 10% энергии) и в третьих, обратная зависимость метаболизма от размера особей (чем мельче организм, тем выше скорость роста их численности и биомассы).

В наземных экосистемах действует следующее правило пирамиды биомасс: «суммарная масса растений превышает массу всех травоядных, а их масса превышает всю биомассу хищников. Для экосистемы океана это правило недействительно – она имеет перевернутый вид. Для экосистемы океана характерна тенденция накапливания биомассы на высоких уровнях, у хищников, это значит, что хищники живут долго и скорость оборота и регенерации мала, а у продуцентов (фитопланктонных водорослей) оборачиваемость может сотни раз превышать биомассы. Это значит, что их чистая продукция и здесь превышает продукцию, поглощенную консументами, т.е. через уровень продуцентов проходит больше энергии, чем через всех консументов».

Отсюда понятно, что еще более совершенным отражением влияния трофических отношений на экосистему должно быть правило пирамиды продукции (или энергии) на каждом предыдущем трофическом уровне количество биомассы, создаваемой за единицу времени (или энергии), больше, чем, на последующем. Пирамида продукции отражает законы расходования энергии на трофических цепях.

В природе, в стабильных системах, биомасса изменяется незначительно, т.е. природа стремится использовать полностью валовую продукцию. Знание энергетики экосистемы того или иного количественные ее показатели позволяют учесть возможности изъятия того или иного количества растительной и животной биомассы без подрыва ее продуктивности.

Человек получает достаточно много продукции природных систем, тем не менее,основным источником пищи для него является сельское хозяйство. Создав агроэкосистемы, человек стремится получить как можно больше чистой продукции растительности, но ему необходимо тратить половину растительной массы на выкармливание травоядных животных птиц и.т.д., значительная часть продукции идет в промышленность и теряется в отбросах, т.е. и здесь теряется около 90% чистой продукции и только около 10% непосредственно используется на потребление человеком.