Заняття 2.27

Тема: Кругообіг речовин і потік енергії в екосистемах

Мета: сформувати поняття про кругообіг речовин і потік енергії в екосистемах

Хід заняття

1. Потоки енергії і речовини в екосистемах

Будь-яка життя вимагає постійного припливу енергії і речовини. Енергія витрачається на здійснення основних життєвих реакцій, речовина йде на побудову тіл організмів. Існування природних екосистем супроводжується складними процесами матеріально-енергетичного обміну між живою і неживою природою. Ці процеси дуже важливі і залежать не тільки від складу біотичних угруповань, але і від фізичного середовища їх проживання.

Потік енергії в спільноті - це її перехід від організмів одного рівня до іншого у формі хімічних зв'язків органічних сполук (їжі).

Потік (кругообіг) речовини - переміщення речовини у формі хімічних елементів і їх з'єднань від продуцентів до редуцентам і далі (через хімічні реакції, що відбуваються без участі живих організмів) знову до продуцентів.

Кругообіг речовини і потік енергії - не тотожні поняття, хоча нерідко для вимірювання переміщення речовини використовуються різні енергетичні еквіваленти (калорії, кілокалорії, джоулі). Почасти це пояснюється тим, що на всіх трофічних рівнях, за винятком першого, енергія, необхідна для життєдіяльності організмів, передається у формі речовини спожитої їжі. Лише рослини (продуценти) можуть безпосередньо використовувати для своєї життєдіяльності променисту енергію Сонця.

Суворий вимір циркулюючої в екосистемі речовини можна отримати, враховуючи кругообіг окремих хімічних елементів, перш за все тих, які є основним будівельним матеріалом для цитоплазми рослинних і тваринних клітин.

На відміну від речовин, які безперервно циркулюють по різним блокам екосистеми і завжди можуть знову входити у круговорот, енергія може бути використана в організмі тільки один раз.

Відповідно до законів фізики енергія може переходити з однієї форми (наприклад, енергії світла) до іншої (наприклад, потенційну енергію їжі), але вона ніколи не створюється знову і не зникає. Не може бути жодного процесу, пов'язаного з перетворенням енергії, без втрати деякої її частини. У своїх перетвореннях певну кількість енергії розсіюється у вигляді тепла і, отже, втрачається. З цієї причини не може бути перетворень, наприклад харчових речовин на речовини, з яких складається тіло організму, що йдуть зі стовідсотковою ефективністю.

Існування всіх екосистем залежить від постійного припливу енергії, яка необхідна всім організмам для підтримки їх життєдіяльності та самовідтворення.

Лише близько половини сонячного потоку, що падає на зелені рослини, поглинається фотосинтетичним елементами, і лише мала частка поглиненої енергії (від 1 / 100 до 1 / 20 частини) запасається у вигляді енергії, необхідної для діяльності тканин рослин.

У міру віддалення від первинного продуцента швидкість потоку енергії (тобто кількість енергії, виражене в енергетичних одиницях, яке перейшло з одного трофічного рівня на інший) різко слабшає.

Падіння кількості енергії при переході з одного трофічного рівня на більш високий визначає число самих цих рівнів. Підраховано, що на будь-трофічний рівень надходить лише близько 10% (або трохи більше) енергії попереднього рівня. Тому загальне число трофічних рівнів рідко перевищує 3-4.

Співвідношення живої речовини на різних трофічних рівнях підпорядковується в цілому тим же правилом, що і співвідношення енергії, що надходить: чим вище рівень, тим нижче загальна біомаса та чисельність складових його організмів.

Співвідношення чисельності різних груп організмів дає уявлення про стійкість спільноти, адже біомаса та чисельність деяких популяцій є одночасно і показником життєвого простору для організмів даного та інших видів. Наприклад, числом дерев у лісі визначається не тільки загальний запас укладеної в них біомаси та енергії, але і мікроклімат, а також кількість притулків для багатьох комах і птахів.

Піраміди чисельності можуть бути перевернутими. Це відбувається, коли швидкість відтворення популяції жертви висока, і навіть при низькій біомасі така популяція може бути достатнім джерелом їжі для хижаків, що мають більш високу біомасу, але низьку швидкість відтворення. Наприклад, на одному дереві може жити й годуватися безліч комах (перевернута піраміда чисельності). Перевернута піраміда біомаси властива водним екосистемам, де первинні продуценти (фітопланктону водорості) дуже швидко діляться і множаться в числі, а їхні споживачі (зоопланктон ракоподібні) набагато більше, але мають тривалий цикл відтворення.

Пасовищні і детритні ланцюги

Енергія може проходити через співтовариство різними шляхами. Вона являє собою харчовий ланцюг всіх консументів (консументную систему) з додаванням ще двох ланок: це мертве органічна речовина і харчова ланцюг організмів, що розкладають (редуцентна система).

Потік енергії, що йде від рослин через рослиноїдних тварин (їх називають пасуться), називається пасовищної харчової ланцюгом.

Не використані консументами залишки споживаних ними організмів поповнюють собою мертве органічну речовину. Воно складається з фекалій, містять частину незасвоєний їжі, а також трупів тварин, залишків рослинності (листя, гілок, водоростей) і називається детритом.

Потік енергії, що бере початок від мертвої органічної речовини і проходить через систему разлагателеі, називається детрітноі харчової ланцюгом.

Поряд зі схожістю є глибоке розходження у функціонуванні пасовищної і детрітноі харчових ланцюгів. Воно полягає в тому, що в кін-сументной системі фекалії і мертві організми губляться, а в редуцентной - ні.

Рано чи пізно енергія, ув'язнена в мертвому органічному речовині, буде повністю використана разлагателямі і розсіяна у вигляді тепла при диханні, навіть якщо для цього їй потрібно декілька раз пройти через систему редуцентов. Винятком є лише ті випадки, коли місцеві абіотичні умови дуже несприятливі для процесу розкладання (висока вологість, мерзлота). У цих випадках накопичуються поклади не повністю переробленого високоенергоємних речовини, що перетворюється з часом і при відповідних умовах на горючі органічні копалини - нафта, вугілля, торф.