3. Энергетика экосистем и их продуктивность.

3.1. Поток энергии и круговорот веществ в экосистемах.

Все живые организмы в процессе своей жизнедеятельности потребляют и рассеивают энергию. Поэтому ни один живой организм не может существовать в течение сколько-нибудь продолжительного времени без постоянного притока свободной энергии извне.

Главным источником такой свободной энергии для подавляющего большинства живых организмов на Земле является энергия солнечного света.

Фотосинтезирующие организмы непосредственно используют энергию солнечного света. При этом в процессе фотосинтеза из диоксида углерода и воды образуются сложные органические вещества, в которых часть солнечной энергии запасена в форме химических связей, и в качестве побочного продукта выделяется кислород:

6 СО₂ + 6 Н₂О + солнечная энергия = С₆Н₁₂О₆ + 6 О₂

Полученные органические вещества могут служить источником энергии не только для самого растения, но и для других организмов в биогеоценозе.

Высвобождение заключенной в органических веществах энергии происходит в процессе клеточного дыхания.

Клеточное дыхание - это процесс постепенного сгорания (окисления) органических соединений, находящихся в клетках живых организмов:

С₆Н₁₂О₆ + 6 О₂ = 6 СО₂ + 6 Н₂О + энергия

Продукты клеточного дыхания - диоксид углерода и вода могут вновь использоваться растениями для получения органических веществ в процессе фотосинтеза.

Таким образом, в экосистеме совершается бесконечный круговорот веществ (рис.2).

Однако, содержащаяся в органических веществах энергия не совершает круговорот, а постепенно превращается в бесполезную тепловую энергию, которая рассеивается в пространстве, так как согласно второму закону термодинамики переход энергии из одной формы (например, энергии света) в другую (например, потенциальную энергию пищи) сопровождается снижением количества полезной энергии.

Поэтому необходимым условием существования экосистемы является постоянный приток энергии извне.

Процесс фотосинтеза

6 СО₂ + 6 Н₂О + солнечная энергия = С₆Н₁₂О₆ + 6 О₂

Процесс клеточного дыхания

C₆H₁₂O₆ + 6 О₂ = 6 СО₂ + 6 Н₂О + энергия

Рис. 2. Суммарный поток энергии и круговорот веществ в экосистемах

поток энергии – светлые стрелки

круговорот веществ – темные стрелки

Для биологического круговорота веществ необходимо наличие в экосистемах:

• органимов-продуцентов, которые используют энергию излучения Солнца для превращения неорганических веществ в более сложные органические соединения, в которых часть солнечной энергии запасена в форме химических связей;

• организмов-консументов, которые используют эти органические вещества для получения и накопления энергии;

• организмов-редуцентов (деструкторов), которые в процессе своей жизнедеятельности разлагают органические соединения на более простые неорганические вещества.

На рис.3 показана связь основных структурных компонентов экосистемы между собой потоком энергии и круговоротом веществ.

Рис.3. Связь основных структурных компонентов экосистемы между собой

потоком энергии и круговоротом веществ.

Продуценты поглощают около 1% падающей на Землю солнечной энергии и используют ее для синтеза органических соединений, в которых солнечная энергия запасена в форме химических связей.

Более половины этой энергии расходуется продуцентами на различные процессы жизнедеятельности, превращаясь при этом в теплоту и рассеиваясь в пространстве.

Остальная часть энергии запасается в виде вновь возникшей биомассы растений и может быть частично использована гетеротрофными организмами-консументами в качестве пищи.

Когда растительноядное животное поедает растения, то большая часть энергии, которая содержится в пище, используется на различные процессы жизнедеятельности, превращаясь при этом в теплоту и рассеиваясь в пространстве.

Только 5 - 20% энергии пищи переходит во вновь созданную биомассу растительноядных животных.

Если растительноядное животное съедается плотоядным хищником, то вновь теряется большая часть заключенной в пище энергии, которая расходуется на различные процессы жизнедеятельности плотоядного животного, а лишь немногая часть переходит в их биомассу.

Часть биомассы продуцентов, не съеденная консументами, отмирает и энергия, аккумулированная в отмершей биомассе, поступает в почву в виде растительного опада.

Растительный и животный опад, а также продукты жизнедеятельности живых организмов являются пищей редуцентов.

При этом большая часть энергии, содержащаяся в пище, рассеивается в виде тепла в результате жизнедеятельности редуцентов, а некоторая часть энергии запасается в биомассе редуцентов.

Редуценты-деструкторы являются завершающим звеном в круговороте веществ, так как сложные органические соединения в мертвых растительных и животных организмах, а также в продуктах жизнедеятельности живых организмов разлагаются редуцентами на более простые неорганические вещества, которые вновь используются продуцентами.

Без редуцентов весь мир вскоре был бы погружен в слой растительного и животного опада и различного мусора.

Приведенная схема свидетельствует о том, что экосистема может существовать без консументов, так как химические вещества могут переходить прямо от продуцентов к редуцентам и обратно без участия консументов.

Кроме того, существуют биогеоценозы, которые не включают автотрофных фотосинтезирующих растений (например, экосистемы больших глубин океана или пещер).

Но во всех экосистемах подобного типа обязателен приток энергии извне в виде органических веществ, в которых аккумулирована солнечная энергия.

Таким образом, если движение вещества, вызванное деятельностью организмов, совершает круговорот, т.е. вещество может быть использовано многократно, то поток энергии имеет однонаправленный характер, т.е. содержащаяся в пище энергия не совершает круговорота, а постепенно превращается в тепловую энергию и рассеивается в пространстве.

Поэтому необходимым условием существования экосистемы является постоянный приток энергии извне, которая необходима всем организмам для поддержания их жизнедеятельности и самовоспроизведения.