Общая экология

Энергия в экосистемах

§ 2.1. Понятие о трофических цепях, сетях и трофических уровнях

Как уже отмечалось, поступление энергии в экосистему в основном связано с фотосинтезом высших растений.

Перенос энергии пищи от её источника – автотрофных организмов – через ряд гетеротрофных организмов, происходящий путем поедания одних организ-мов другими, называется пищевой цепью. Различают два основных типа пище-вых цепей: пастбищную цепь, которую составляют растения, растительноядные животные и их хищники, и детритную пищевую цепь, включающую детрит, первичных детритофагов и их хищников. Названные пищевые цепи взаимодействуют друг с другом и образуют пищевую сеть экосистемы. В сложных систе-мах организмы, получающие энергию Солнца через одинаковое число этапов её трансформации, считаются принадлежащими к одному трофическому уровню. Первый трофический уровень – уровень продуцентов – представлен растениями; второй уровень – животными-фитофагами; третий и последующий уровень – животными-хищниками.

При переходе от одного пищевого уровня к другому до 90 % энергии, потребленной организмами, превращается в тепло и рассеивается в окружающей среде. Поэтому, чем короче пищевая цепь, тем больше первоначальной солнечной энергии остается доступной для популяций.

На уровнях хищников эффективность передачи энергии может превышать 20 %, поскольку речь идет о переработке высококалорийных белков. Однако, и растения, и животные производят большое количество трудно перивариваемого вещества (например, целлюлозы или хитина), а также синтезируют химические вещества, обеспечивающие их несъедобность. Все это снижает эффективность передачи энергии.

На морских мелководьях и в степях свыше 50 % биологической продукции движется по пастбищной цепи. Открытые пространства океана, леса и большин-ство других экосистем функционируют как детритные системы: в них основная часть органики потребляется в диспергированном или растворенном виде; это повышает устойчивость экосистем.

Функционирование пастбищных цепей во многом зависит от активности животных-фитофагов. Причем, учитывается не только общее количество съеден-ных ими растений, но и скорость потребления пищи. Если животные съедают более 50 % годового прироста биомассы, устойчивость системы к внешним воз-действиям снижается. Поэтому существуют природные механизмы, сдерживаю-щие выедание, например, растительные яды, колючки, высокая скорость обнов-ления побегов, а также хищники, эффективно контролирующие численность травоядных.

Негативно на состоянии системы отражается и снижение активности тра-воядных. В этом случае скорость накопления детрита превышает скорость его переработки, что замедляет биологический круговорот элементов, ведет к накоплению токсических веществ в почве и увеличивает вероятность возникновения пожара.

В сложных экосистемах детритная пищевая цепь объединяет несколько по-токов, т.е. животных, специализурующихся на потреблении зерна, нектара, растворенного органического вещества, живых и мертвых растительных тканей. По-этому важным параметром пищевой сети является качество ресурса, или его энергетическая ценность. Например, энергия органических веществ, извлекае-мых грибами из живых растений, выше энергии, получаемой ими от опавших листьев. Поэтому в первом случае энергия пищи движется быстрее, а эффектив-ность ее ассимиляции выше.

При анализе пищевых цепей широко используется моделирование. В качестве основного блока сетевых схем рассматривают т.н. универсальную модель потока энергии (рис. 2.1). В принципе эта модель воспроизводит энергообменные процессы в биологической системе любого уровня организации – в отдельном организме, в популяции, сообществе и экосистеме в целом.

Обозначения:

I – поступление энергии;

A – ассимиляция энерги;

S G E – неиспользованная энергия;

I R – энергия, затраченная на

A P поддержание структуры (“дыхание”);

Отражение света Р – продукция системы;

G – рост и накопление биомассы;

R S – запасенная энергия.

Рисунок 2.1 – Универсальная модель потока энергии (по Ю. Одуму).

Отношение A/I называют эффективностью ассимиляции энергии. Эта величина мала в случае поглощения света растениями (около 1 %) и достаточно велика на уровнях консументов (10-20 %). У автотрофов под А понимают вало-вый фотосинтез; у гетеротрофов – энергию органических веществ, синтезированных другими организмами. Часть поглощенной энергии затрачивается на обменные процессы в организме и в конце концов трансформируется в тепло и рассеивается в среде; эта энергия именуется дыханием R. Другая часть поглощенной энергии входит в состав живых тканей организма и называется продукци-ей Р: А = R + Р. Компонент Р – это энергия, доступная следующему трофи-ческому уровню.

Величина R велика в популяциях крупных организмов и в сообществах с большой суммарной биомассой. При стрессовых воздействиях на систему R также возрастает. Удельная величина Р велика в растущих популяциях мелких ор-ганизмов – бактерий, водорослей, а также в системах, получающих энергети-ческие дотации.

Основными статьями расходования биологической продукции Р являются: 1) рост и увеличение биомассы системы G; 2) органическое вещество конеч-ных продуктов метаболизма (входит в G); 3) запасы органического вещества S, такие как жировые накопления животных, запасы воды и органических веществ в клубнях, стеблях и листьях растений.

В некоторых случаях системой расходуется не вся доступная ей энергия. Часть энергии проходит через систему транзитом, не включаясь в обменные про-цессы.

В общем случае, отношения величин энергетического потока в различных точках пищевой цепи называют экологической эффективностью. Эти отноше-ния характеризуют и отдельные особи, и целые трофические уровни.

Отношение Р/А называют эффективностью продукции. У животных-регу-ляторов доля ассимилированной энергии, идущей на поддержание нормальной жизнедеятельности, на порядок превышает ту же величину для конформистов. Поэтому и эффективность продукции Р/А для них ниже, чем для конформистов. Травоядные животные характеризуются более высокой эффективностью по срав-нению с хищниками.

При анализе энергетических процессов в экосистемах часто используют сравнение эффективности продукции с величиной КПД двигателей. При этом Р/А < КПД, поскольку природные системы являются самоподдерживающимися системами, что требует значительных затрат энергии. А при расчете КПД двигателей не учитывается расход энергии на их обслуживание человеком. Любое “инженерное” повышение эффективности природной системы неизбежно вызывает увеличение энергетических затрат на ее подержание.

В противоположность рассеивающейся энергии, для веществ характерно накопление по мере движения пищи от организма к организму. Эффект концен-трирования отмечен для соединений тяжелых металлов, пестицидов и устойчи-вых радионуклилидов. Поскольку большинство пищевых цепей замыкает человек, проблема выведения токсических веществ из организма человека исключительно актуальна. К примеру, накопление радионуклидов сказывается на здоровье более 5 млн человек, проживающих на территориях РФ, Белоруссии, Украины и стран Балтии, загрязненных в результате аварии на ЧАЭС 26 апреля 1986 года. Риски обусловлены тем, что при использовании кормов, загрязненных изотопами ¹³⁴Сs и ¹³⁷Сs, мясо преобретает повышенную радиоактивность. Известно, что Сs удаляется из организмов животных с продуктами метаболизма (навозом). При использовании постоянных пастбищ происходит его накопление на данном участке и поступление в ткани животных и сельскохозяйственную продукцию. Интересно, что в сале цезия концентрируется в 20 раз меньше по сравнению с мышечной тканью¹.

Учеными предложены различные методы очистки сельскохозяйственной продукции, базирующиеся на процессе диффузии цезия из биологических тканей в водный раствор поваренной соли. Технология сводится к вымыванию радионуклидов из продуктов питания до временно допустимых уровней (ВДУ): на участках с естественным радиационным фоном – до уровня 5,010^-8 Ки/кг для мяса, рыбы, овощей и грибов и до уровня 2,010^-8 Ки/кг для клубней картофеля; на загрязненых участках – до уровня 1,010^-8 Ки/кг.

Например, эффективность выведения радиоцезия из мяса копытных достигает 99 % при замачивании мяса на сутки в 4 % растворе поваренной соли (40 г на 1 л) и 3 % растворе уксусной кислоты (30 мл 70%-ной эссенции на 1 л) с заменой раствора через 6 часов. Отношение мясо/раствор составляет 1 : 1; температура раствора 20 ^оС. При замачивании мяса только в соли и без замены раствора эффективность выведения радионуклидов составляет 92 %. Применение иодированной соли более эффективно.

При вываривании рыбы в бульон поступает до 80 % цезия из костей и до 70 % из тканей. При жарке ¹³⁷Cs не распадается и полностью переходит в рацион человека. Вымачивание тушек пресноводных рыб на протяжении 20 часов в 5 % растворе поваренной соли со сменой раствора через каждые 3 часа снижает загрязнение на 97 %. Эффективность выведения повышает предварительное про-мораживание рыбы в холодильнике. После 3 часов нахождения в растворе эффективность выведения превышает 60 % для различных видов рыб.

При варке в подсоленой воде (30 г на 1 л) очищенного картофеля до готовности эффективность выведения радионуклидов достигает 70 %. Эффективность кипячения съедобных грибов на протяжении 50 мин в 3%-ном растворе поваренной соли с заменой раствора на свежий каждые 20 мин с последующей промывкой холодной водой достигает 99,9 %.

Итак, биологическую продукцию загрязненных территорий в принципе можно использовать в пищу, применяя научно обоснованные методы кулинарной обработки продуктов совместно с другими мероприятиями по сохранению здоровья.