2.2 Биотическая структура экосистемы. Изменение вещества и энергии в организмах

Несмотря на огромное разнообразие экосистем – от тропических лесов до пустынь, леса, болота, озера, по мнению экологов, с точки зрения экологии всем им свойственна одинаковая биотическая структура. Все экосистемы включают одни и те же основные категории организмов, взаимодействующих друг с другом стереотипным образом. Это следующие категории: зелёные растения (продуценты), консументы, редуценты.

Продуценты (или автотрофы – самопитающиеся) – это организмы, производящие органические соединения, используемые ими как источник энергии и питательных веществ [6]. Большинство продуцентов представлено одноклеточными водорослями, травами, деревьями и т.п. В зелёных растениях происходит процесс фотосинтеза – химическая реакция, протекающая при участии хлорофилла клетки зеленых растений за счет солнечной энергии, при котором из СО₂, Н₂О и солнечной энергии получаются глюкоза (простейший из сахаров) и О₂:

6СO₂+6 Н₂O + Q= C₆H₁₂O₆+6O₆

Полученный кислород выделяется в атмосферу. Из глюкозы и минеральных элементов почвы растения синтезируют сложные вещества, входящие в состав организма (белки, жиры, углеводы, ДНК и т.д.).

Глюкоза – это органическая молекула с высокой потенциальной энергией. Из солнечной кинетической энергии около 2% превращается в потенциальную энергию молекул глюкозы.

Глюкоза в растениях выполняет 2 функции: 1) служит строительным материалом тела, т.е. из глюкозы образуются сложные органические молекулы (крахмал, целлюлоза, липиды, белки, нуклеиновые кислоты); 2) источник энергии для всех процессов жизнедеятельности растений, т.е. построение тканей, поглощение питательных элементов из почвы, дыхание.

Процесс расщепления органических молекул с выделением энергии называется клеточным дыханием [18]. Т.е. молекула глюкозы в присутствии кислорода разрушается до NО₂, Н₂О с выделением энергии. Данный процесс идёт в каждой клетке и в целом противоположен фотосинтезу. К примеру, травы выделяют энергию 40-50%; деревья – 70-80%, которая используется в основном на дыхание. Накопленная химическая энергия, созданная в результате фотосинтеза, является прямым или косвенным источником питания для большинства организмов.

При этом стоит отметить, что немаловажную роль выполняет продуктивность экосистем (т/м²в год): так, во влажных тропических лесах она составляет 2200 т/м²в год, лиственные леса – 1200, тайга – 800, тундра – 140, пустыни – 90, озера, реки – 250, океан – 80 [17].

Таким образом, только часть глюкозы используется растением для своего роста, а другая часть вновь разрушается с выделением энергии, необходимой для протекания физиологических процессов.

Некоторые продуценты, в основном бактерии, способны поглощать из окружающей среды неорганические соединения и преобразовывать их в органические питательные вещества без солнечного света. Этот процесс называется хемосинтезом [6].

Животные питаются органическим веществом, используя его как источник энергии и материал для формирования своего тела. Т.е. зелёные растения продуцируют пищу для других организмов экосистемы.

Консументы, или гетеротрофы (питающиеся другими) – организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию, питаясь напрямую или косвенно продуцентами [6].

В зависимости от источников питания консументы, питающиеся живыми организмами, подразделяются на три класса:

– фитофаги (растительноядные) – это консументы 1-го порядка, питающиеся исключительно живыми растениями. Например, птицы, олени, зайцы, насекомые.

– хищники (плотоядные) – это консументы 2-го порядка, которые питаются исключительно растительноядными животными (фитофагами), а также консументы 3-го порядка, питаются только плотоядными животными.

– эврифаги (всеядные) – могут питаться как растительной, так и животной пищей. Например, свиньи, крысы, таракана, а также человек.

Консументы, питающиеся остатками мертвых растений или животных, называются редуцентами [6]. Существуют два основных класса редуцентов: детритофаги и деструкторы.

Детритофаги питаются мертвыми растительными и животными остатками, т.е. детритом, например, грибы, раки, грифы, муравьи, шакалы, черви.

Большая часть мертвой материи в экосистеме, особенно деревья и листья, проходят стадии разложения и гниения, в результате сложные органические соединения делятся на простые неорганические. Это осуществляется деструкторами (грибы и микроскопические одноклеточные бактерии).

Животным свойственна активная выработка кинетической энергии (движение, бег, поддержание постоянной температуры тела, дыхание и т.д.). Источник энергии – потенциальная энергия органических молекул, потребляемых в составе пищи. Пища же выполняет роль строительной функции: часть съеденной, переваренной и поступившей в кровь пищи служит сырьём для роста и обновления тканей тела; для этого также необходимые определённые витамины и микроэлементы (Fe, Си, Mn, Zn). Если в пище нет какого-либо из необходимых ингредиентов, сколько бы калорий не содержала пища, неизбежны функциональные расстройства. Другая часть пищи не переваривается и просто проходит через пищеварительный тракт и выводится в виде фекалий или экскрементов.

В целом, происходит превращение энергии из одной формы в другую, а именно солнечной энергии в потенциальную энергию, запасаемую растениями, а последнюю – в другие виды по мере прохождения по пищевой цепи. На каждом трофическом уровне часть потенциальной энергии пищи расходуется на жизненные функции и часть теряется в виде тепла, т.е. происходит поток энергии через систему (рис.3).

Детритофаги – это организмы, которые питаются мёртвыми растительными и животными остатками (опавшие листья, фекалии, мёртвые животные – детрит). К ним относятся грифы, гиены, черви, раки, термиты, муравьи, грибы, бактерии и т.д. Их главная роль – питаясь мёртвой органикой, детритофаги разлагают её. Отмирая, сами становятся частью детрита.

Зелёные Первичные Вторичные

растения консументы консументы

Детритофаги

Минеральные

вещества Тепло

энергия

---- вещество

Рис.3 Потоки энергии и вещества в организмах

Некоторые организмы не укладываются в эту схему. Например: насекомоядные растения. Они улавливают насекомых, частично переваривают их с помощью ферментов и органических кислот, в результате чего восполняют недостаток азота и других питательных веществ. В России – 20 видов (венерика мухоловка, саррацения, росянка). Обитают в местах с недостатком азота, фосфора и калия (болота – очень бедны питательными веществами).

►Вопросы для самоконтроля

1. Основные категории взаимодействующих друг с другом организмов биотической структуры экосистемы.

2. Главный процесс, происходящий в зелёных растениях, его назначение.

3. Какие существуют классы консументов в зависимости от источников питания?

4. Каковы роль детритофагов и деструкторов в экосистеме?