4.2 Трофическая сеть и трофические уровни. Экологические пирамиды

Трофическая (пищевая) цепь – это цепь последовательной передачи вещества и эквивалентной ему энергии от одних организмов к другим. Трофическая цепь представляет собой линейную структуру из звеньев, каждое из которых связано с соседними звеньями отношениями «пища – потребитель».

Трофическая цепь в биоценозе есть одновременно энергетическая цепь, т.е. последовательный упорядоченный поток передачи энергии Солнца от продуцентов ко всем остальным звеньям.

Трофическую сеть – сложная система, состоящая из разных трофических цепей, связанных между собой общими звеньями.

Все организмы, пользующиеся одним типом пищи, принадлежат к одному трофическому уровню.

Обычно бывает четыре или пять трофических уровней и редко более шести.

Для наглядности представления взаимоотношений между организмами различных видов в биоценозе принято использовать экологические пирамиды. Различают пирамиды численности, биомасс и энергии.

Для построения пирамиды численности подсчитывают число организмов на некоторой территории, группируя их по трофическим уровням.

Каждый уровень изображается условно в виде прямоугольника, длина или площадь которого соответствуют численному значению особей. Расположив эти прямоугольники в соподчинённой последовательности, получают экологическую пирамиду численности (рис. 4.4).

Рисунок 4.4 – Экологическая пирамида для луга, поросшего злаками (цифры – число особей)

В экологической пирамиде биомасс размер прямоугольников пропорционален массе живого вещества соответствующего уровня, отнесённой к единице площади или объёма.

В пирамиде энергий размер прямоугольников пропорционален энергетическому эквиваленту в единицу времени, т.е. количеству энергии (на единицу площади или объёма), прошедшей через определённый трофический уровень за принятый период.

Первичным поставщиком энергии для всех других организмов в цепях питания являются растения. При дальнейших переходах энергии и вещества с одного трофического уровня на другой существуют определённые закономерности.

Р. Линдеман (1942) сформулировал закон пирамиды энергий, или правило 10 %: с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой, более высокий её уровень (по «лестнице» продуцент – консумент – редуцент), в среднем около 10 % энергии, поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды.

Обратный поток энергии от верхних уровней экологической пирамиды к более низким её уровнями намного слабее. Говорить о круговороте энергии в биоценозе не приходится.

4.3 Образование первичного органического вещества

Первичная продукция на Земле создаётся в клетках зелёных растений под воздействием солнечной энергии, а также некоторыми бактериями вследствие химических реакций.

Фотосинтез – это процесс образования органических веществ из неорганических веществ на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий).

Усваиваемая энергия фотон преобразуется в энергию связей химических веществ, синтезируемых при этих процессах.

Основная реакция фотосинтеза может быть записана следующим образом:

где Н₂Х – «донор» электронов; Н – водород; X – кислород, сера или другие восстановители (например, сульфобактерии используют в качестве восстановителя Н₂S, другие же виды бактерий – органическую субстанцию, а большинство зеленых растений, осуществляющих хлорофилльную ассимиляцию, – кислород).

Типы фотосинтеза:

1. Бесхлорофильный фотосинтез.

2. Хлорофильный фотосинтез

а). Аноксигенный фотосинтез. Процесс образования органических веществ на свету, при котором не происходит синтеза молекулярного кислорода. Осуществляется пурпурными и зелёными бактериями, а также геликобактериями.

б). Оксигенный фотосинтез с выделением свободного кислорода. Осуществляется растениями, цианобактериями и прохлорофитами.

Основная реакция фотосинтеза, образование органических веществ из углекислого газа и воды с выделением кислорода, осуществляемая растениями, может быть записана следующим образом:

Этапы (фазы) фотосинтеза:

 фотофизический;

 фотохимический;

 химический (или биохимический).

На первом этапе (фотофизическом) происходит поглощение квантов света пигментами, их переход в возбуждённое состояние и передача энергии к другим молекулам фотосистемы.

На втором этапе (фотохимическом) происходит переход энергии возбуждённого состояния в энергию химических связей. Синтезируются аденозинтрифосфат (АТФ) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ). Его восстановленная форма – НАДФ-Н запасает основную часть энергии света.

На третьем этапе (биохимическом) протекают биохимические реакции синтеза органических веществ с использованием энергии, накопленной на светозависимой стадии с образование сахаров и крахмала. Органические вещества преобразуются до образования конечных продуктов фотосинтеза Реакции биохимической фазы происходят с участием ферментов и стимулируются температурой, поэтому эту фазу называют ещё термохимической.

Первые два этапа вместе называют светозависимой стадией фотосинтеза – световой. Третий этап происходит уже без обязательного участия света – темновой.

Фотосинтетически активной радиацией называется часть спектра солнечной радиации (0,38-0,71 мкм), используемая растениями в процессе фотосинтеза.

Прямая радиация солнца в зависимости от высоты светила над горизонтом содержит 28 – 43 % ФАР, рассеянная радиация при облачном небе – 50 – 60 %, рассеянная радиация безоблачного неба – до 90 % ФАР (гл. обр. за счет синей компоненты ФАР).

Наиболее активными среди ФАР являются оранжево-красные (0,6…0,7 мкм) и сине-фиолетовые (0,40…0,50 мкм). Меньше поглощаются желто-зеленые (0,50…0,58 мкм) лучи и практически не поглощаются инфракрасные. Лишь далекие инфракрасные принимают участие в теплообмене растений, оказывая некоторое положительное воздействие, особенно в местах с низкими температурами.

Хемосинтез  способ автотрофного питания (используется бактериями или археями), при котором источником энергии для синтеза органических веществ из CO₂ служат реакции окисления неорганических соединений.

Хемосинтетики для образования органического вещества используют процессы, связанные с окислением соединений серы (тиосульфаты, сульфиты, сульфиды и молекулярная сера, сероводород), аммиака, водорода, соединений железа (II).