4.9. Движение вещества и энергии в экосистеме. Цепи и сети питания. Экологические пирамиды. Продуктивность биогеоценозов.

Движение вещества и энергии в экосистеме — основное условие поддержания жизнедеятельности организмов, ее устойчивости. В экосистеме постоянно происходит перенос вещества и энергии, которые заключены в пище.

Таким образом, вещества в экосистеме включаются в бесконечный круговорот. Энергия, заключенная в пище, не совершает круговорота, а постепенно превращается в тепловую энергию, которая уходит за пределы экосистемы. Поэтому постоянный приток энергии извне является необходимым условием длительного существования экосистемы.

Основу любой экосистемы составляют фотосинтезирующие организмы — автотрофы (от греч. autos — сам и trophe — кормиться, питаться). Авто-трофы являются организмами-продуцентами (производителями). Они обеспечивают органическими веществами и энергией все живое население экосистемы. Зеленые растения дают начало всем пищевым связям в экосистеме. Они не только существуют сами за счет синтезированных органических веществ, но и кормят все остальные живые организмы.

Кроме продуцентов в экосистему входят организмы, которые используют для питания готовые органические вещества, произведенные другими видами. Это — гетеротрофы (от греч. heteros — другой), или консументы (потребители). К ним относятся все животные, которые извлекают необходимую энергию из готовой пищи, поедая растения или других животных. 

Первичными консументами являются растительноядные животные, питающиеся травой, семенами, плодами, подземными частями растений;вторичными консументами — плотоядные животные.

К консументам можно отнести и группу бесхлорофильных растений (растения-паразиты), которые, присасываясь к корням своих собратьев, в буквальном смысле тянут из них соки. В наших лесах такими являются Петров крест, полевая заразиха, повилика.

Особую группу организмов составляют редуценты (от лат. reducens , reducentis — возвращающий, восстанавливающий), разрушающие мертвое органическое вещество до неорганических соединений, которые затем используются другими организмами (продуцентами). Основными редуцентами являются бактерии, грибы, простейшие. За счет разложения и минерализации мертвых органических остатков высвобождаются химические элементы, которые в дальнейшем вновь вовлекаются в круговорот веществ, улучшают условия питания растений и тем самым увеличивают объем создаваемой биологической продукции. Так восстанавливается неорганическая материя.

Таким образом, осуществляя пищевые взаимодействия, организмы экосистемы выполняют три функции:

• энергетическую, которая выражается в запасании энергии в форме химических связей первичного органического вещества (ее выполняют организмы-продуценты);

• перераспределения и переноса энергии пищи (ее выполняют консументы);

• разложения редуцентами органического вещества до простых минеральных соединений, которые снова используются организмами-продуцентами.

Цепи и сети питания. В развитых, сложившихся экосистемах существуют сложные пищевые взаимодействия между автотрофами и гетеротрофами. Одни организмы поедают другие, и таким образом осуществляется цепной процесс переноса вещества и энергии в экосистемах, лежащий в основе круговорота веществ в природе. Перенос вещества и энергии от автотрофов к потребителям-гетеротрофам, происходящий в результате поедания одними организмами других, называется пищевой цепью.

Простейшая пищевая цепь в водной среде может начинаться фитопланктоном, продолжаться более крупными планктонными ракообразными, которые им питаются, и заканчиваться китом, который фильтрует этих ракообразных из воды. Вот вам и еще один пример пищевой цепи: клевер —> шмели —> мыши —> кошки.

Пищевая цепь в экосистеме начинается с зеленого растения и через ряд промежуточных организмов-консументов заканчивается звеном, которое представлено хищными животными.

В экосистемах обычно существует ряд параллельных пищевых цепей, например, травянистая растительность —> грызуны —> мелкие хищники; травянистая растительность —» копытные —> крупные хищники. Параллельные пищевые цепи нередко объединяют обитателей разных ярусов (почвы, травянистого покрова, древесного яруса), но и между ними могут существовать связи.

Пищевые цепи в чистом виде в природе встречаются довольно редко. В большинстве случаев один и тот же организм может стать жертвой разных хищников. В результате в экосистеме формируются пищевые сети — сложный тип взаимоотношений, включающий разные цепи питания. Сложность пищевых цепей многократно возрастает, если принять во внимание, что у членов цепей питания — организмов-хозяев — имеются многочисленные специфические паразиты, которые в свою очередь являются звеньями других цепей. Например, обыкновенная белка является хозяином 50 видов паразитов.

Пастбищные и детритные пищевые цепи. Пищевые цепи, которые начинаются с автотрофных фотосинтезирующих организмов, называются пастбищными, или цепями выедания.

Если пищевая цепь начинается с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных, т.е. с детрита, она называется детритной, или цепью разложения.

В экосистемах происходит взаимодействие продуцентов, консументов и редуцентов, результатом которого является передвижение вещества и энергии по пищевым цепям и сетям. Различают пастбищные и детритные цепи питания.

Трофическая структура экосистемы. В результате последовательности превращений энергии в пищевых цепях каждое сообщество живых организмов в экосистеме приобретает определенную трофическую структуру. Трофическая структура сообщества отражает соотношение между продуцентами, консументами (отдельно первого, второго и т.д. порядков) и редуцентами, выраженное или количеством особей живых организмов, или пх биомассой, или заключенной в них энергией, рассчитанными на единицу площади в единицу времени.

Трофическую структуру обычно изображают в виде экологических пирамид. Эту графическую модель разработал в 1927 г. американский зоолог Чарльз Элтон. Основанием пирамиды служит первый трофический уровень — уровень продуцентов, а следующие этажи пирамиды образованы последующими уровнями — консументами различных порядков. Высота всех блоков одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне. Различают три способа построения экологических пирамид.

Продуктивность биоценозов. Лучистая энергия солнца, усваиваемая зелеными автотрофными растениями, превращается в энергию химических связей синтезируемого вещества. Скорость фиксации солнечной энергии определяет продукцию биоценозов. Основной показатель продукции — биомасса организмов (растительных и животных), составляющих биоценоз.

Биомасса — выраженное в единицах массы или энергии количество живого вещества организмов, приходящееся на единицу площади или объема (например, г/м 2, г/м 3, кг/га, т/км 2 и др.). Используют массу либо сырого, либо, чаще всего, сухого вещества. Различают растительную биомассу — фитомассу, животную — зоомассу, бактериомассу, биомассу каких-либо конкретных групп или организмов отдельных видов.

Величина биомассы меняется в зависимости от сезона года, миграций животных, степени ее потребления консументами разных порядков.

 Биологической продукцией называется биомасса, производимая биоценозом на единице площади за единицу времени. Она выражается в тех же величинах, что и биомасса, но с указанием времени, за которое она создана (например, кг/га за месяц).

Различают два вида продукции — первичную и вторичную.

Биомасса, произведенная автотрофными организмами (зелеными растениями) на единице площади за единицу времени, называется первичной продукцией. Ее величина определяет продуктивность всех звеньев гетеротрофных организмов экосистемы.

Вторичная продукция — это биомасса, созданная всеми консументами биоценоза за единицу времени. При ее подсчете вычисления производят отдельно для каждого трофического уровня, потому что при движении энергии от одного трофического уровня к другому она прирастает за счет поступления с предыдущего уровня.

Если оценить соотношение первичной и вторичной продукции, то первая окажется во много раз больше второй.

Жизнь в экосистеме поддерживается благодаря непрекращающемуся необратимому прохождению энергии, передаваемой от одного трофического уровня к другому; при этом происходит превращение энергии из одних форм в другие.