5.2.2. Характеристики энергетической активности экологических систем.

На предыдущих лекциях мы с вами рассматривали сложную структуру компонентов экологических систем, наличие в биоценозе экосистемы очень большого числа разнообразных живых существ. Такую структуру сформировали протекающие в течение миллионов лет процессы энергообмена между разными пространственными частями биосферы и процессы развития живых объектов.

Главное достижение современной биосферы – возможность крайне высокой устойчивости к разнообразным внешним воздействиям и из глубин Земли и из космоса. Эта устойчивость оценивается изменениями разных показателей.

Поскольку носители этих показателей в экосистеме – живые объекты, одни из главных показателей – количество этих объектов в экосистеме в форме их общей биомассы и общего количества прироста этой массы, называемого продуктивностью биоценоза (или продуктивностью экосистемы).

Очевидно, что этот показателдь изменяется во времени по S-образной кривой, то есть зависит от «возраста» экосистемы (Рис. 5.5.).

Для оценки процессов энергообмена в экологии используются различные критерии. Наиболее показательным и часто применяемым служит критерий продуктивности популяций и их групп, а также целых трофических звеньев. Можно измерять и продуктивность всего биоценоза экосистемы. Это делается при анализе разных фаз ее развития.

Упрощенная схема переноса энергии в биосфере в целом.

ккал/м².сут %

Световая энергия Солнца

п адающая на Землю 3000 100

Поглощение атмосферой,

Поверхностью Земли 1500 50 Переход в тепло 1485 49,5

Превращение в органическое

вещество растений 15 0,5

Энергия растительной биомассы,

используемой травоядными 1,5 0,05

Энергия животной биомассы,

используемой хищниками 0,15 0,005

У (уровень

развития)

b

a

н

2

1

3

4

5



(время)

Рис. 3. Этапы развития биосферных систем

1 - этап образования системы

2 - этап ускоренного развития молодой системы

(лаг-фаза)

3 - этап развития зрелой системы с постоянной

скоростью

4 - этап климакса, “застоя” “пожилой системы

5 - этап отмирания системы (a) или перехода системы

в новое состояние (b)

В наземных ЭС (в лесу) основной поток энергии идет через детрит, а биомасса растений много больше биомассы животных.

В водных ЭС, напротив, количество биомассы животных больше, чем биомасса фитопланктона. При этом основная энергия идет через пастбищную пищевую цепь.

Механизмы распределения энергии, заключенной в биомассе растений и животных весьма многочисленны и эффективны. Так, грифы - крупные хищные птицы, питающиеся падалью, способны очень быстро очистить территорию от трупа крупного животного – буйвола, антилопы, льва и даже слона. Грифы подолгу парят высоко в небе. Их глаза различают добычу за десятки км. А при нахождении добычи у них существуют способы передачи информации о ней другим особям за считанные минуты. В результате в случае появления в степи трупа животного грифы очень быстро собираются большой стаей в несколько десятков птиц и через 2-3 час от умершего животного остаются только голые кости.

Еще выше скорости деструкции и усвоения органических веществ в популяциях мелких животных и микроорганизмов. Но эти сообщества могут обрабатывать небольшие тела или перегнившие остатки.

Существуют ЭС со специфическими благоприятными местными условиями. Так, в Перу у побережья в океане существует из-за течений вертикальная циркуляция воды, выносящая придонные, богатые питательными веществами воды на поверхность. Здесь всегда много рыбы и птиц, питающихся рыбой. А на самом побережье скопилось большое количество гуано – прекрасного удобрения для земли.

Продуктивность ЭС зависит от климатических условий. Имеются 3 группы ЭС, сильно различающиеся продуктивностью:

Группа экосистем Продуктивность г/м².сут

1. Некоторые мелководья 20 - 10

(коралловые рифы, минеральные источники),

влажные тропические леса, районы

возделывания сахарного тростника

районы поливного земледелия в пустынях

2. Прибрежные морские ЭС, мелкие озера, 10 - 1,0

обычные с/х угодья и степи

3. Открытый океан и пустыни 0,1

Кратковременно была продуктивность выше 20

но редко и недолго.

Средняя продуктивность зерновых культур 2

Очевидно, что и условия жизнедеятельности живых объектов в большинстве районов биосферы весьма неблагоприятны и количество энергии, доходящее непосредственно до исполнителей биосферных процессов, очень невелико (всего 0,1-5,0%) от падающей на Землю солнечной световой энергии.

Однако ту энергию, которая все-таки улавливается растениями, и растения и животные и микроорганизмы используют крайне эффективно. Для этого в биоценозах созданы особые механизмы, отсутствующие в косном веществе и в большинстве случаев пока не поддающиеся воспроизведению в ЧО.

Они заключаются во взаимодействии различных живых организмов, узко специализирующихся в усвоении различных видов энергии.

А) Так, растения в разных климатических зонах устроены по-разному и по-разному воспринимают свет. Например, некоторые растения имеют следящую систему, обеспечивающую поступление на них солнечной энергии под оптимальным углом (подсолнечник, многие садовые цветы).

Б) Растительные сообщества в разных климатических зонах образуют специфические вертикальные ярусы, на которых размещаются виды растений, специально приспособленные к восприятию света, приходящего именно на этот ярус (и по количеству света и по его спектру). Насекомые, птицы и мелкие животные тоже живут ярусами. Так, одни виды птиц гнездятся на земле в траве, другие – в кустарниках, третьи – в густой листве крупных деревьев, четвертые - на верхушках деревьев. Так же ярусами располагаются животные – мыши, суслики, ежи, белки, рыси.

В) У растений существуют специфические физиологические механизмы повышения эффективности приема световой энергии.

- Иногда в жаркий полдень листья растений располагаются под острым углом к падающему свету, что снижает освещенность с величин, превышающих оптимальное значение, к оптимальным.

- Часто листья располагаются в несколько вертикальных лоев, к тому же со сдвигом по оси стебля.

- У некоторых вечнозеленых растений листья попеременно сбрасываются, из-за чего более низким ярусам достается больше света.

- Существуют растения тенелюбивые и светолюбивые, растения с малым пределом световой насыщенности и растения, не имеющие предела освещенности.

- Существуют возрастные различия, особенно у многолетних растений, позволяющие эффективно использовать солнечную энергию в каждом возрасте.

Процесс энергообмена в биосфере - основной, но не изолированный от двух остальных процессов - адаптации к ОС и круговорота веществ. В совокупности эти 3 процесса и составляют единый биосферный поток энергии, заключенной в биомассе живого вещества, форма которого непрерывно меняется с целью наилучшей деятельности и наивысшей эффективности.

В процессе эволюции живых форм природа пришла к современному состоянию в виде совокупности необычайно большого числа разных существ в каждой из 3-х основных групп (автотрофы, гетеротрофы, редуценты). Эти 3 типа живых существ представляют 3 типа организации живой материи на Земле, эволюционировавших и развивающихся в соответствии со способом питания.

Растения питаются за счет фотосинтеза, и их высшие формы имеют листья, которые прикрепляются к стеблям, возникающим из корней, обеспечивающих прикрепление растения к субстрату и поглощение из него воды и минеральных веществ.

Животные питаются, заглатывая пищу и переваривая ее внутри себя. Их организация эволюционировала в направлении дифференциации пищеварительного тракта, при развитии систем выделения, а также нервной, мускульной и скелетной систем, которые обеспечивают подвижность и возможность добывания пищи.

Микроорганизмы-редуценты (микроконсументы) - питаются путем всасывания пищи, поэтому они эволюционировали в направлении увеличения поверхности поглощения при крайне малой структурной дифференциации. Основные виды микроорганизмов - одноклеточные бактерии и дрожжи, низшие и высшие (шляпочные) грибы с сетью протоплазматических нитей или гифов.

Изучение свойств микроорганизмов наиболее затруднено. Бактерии составляют часть планктона, а низшие грибы совсем неприметны. Немногие шляпочные грибы в лесу лишь в малой степени представляют богатый мир почвенных организмов-редуцентов, включающий многие виды бактерий и грибов, связанные трофическими отношениями с живыми и мертвыми корнями растений, с опадом листьев и органическим веществом почвы, с мертвыми стволами и ветками деревьев. Но биомасса редуцентов очень мала. Ее даже трудно измерить. По выполняемой функции эти организмы - ферменты (катализаторы) сообщества: малая масса редуцентов (при высокой продуктивности и соответственно быстром росте и размножении она сбалансирована со смертностью) через ряд реакций трансформирует очень большую массу органического вещества до неорганических остатков.

Этим путем редуценты возвращают в ОС в виде тепла энергию фотосинтеза, содержащуюся в разрушаемом ими органическом веществе. Таким образом они выступают как важнейший компонент одного из наиболее общих признаков экосистемы - потока энергии. (Рис. 5)

Редуценты принимают важнейшее участие и в другом процессе, - в обмене веществом между биоценозом и ОС. (Рис. 6)

Существует общая закономерность: - чем меньше организм, тем выше скорость его энергообмена на единицу веса. Наиболее продуктивны (по скорости) – мелкий планктон в морях, водоросли, мелкие наземные растения, дающие 2-3 урожая в год.