Самостоятельная работа № 1
Передача энергии в экосистеме
Согласно закону максимизации энергии (Г. и Э. Одумов, 1972) выживает та экосистема, которая обеспечивает максимальное поступление и наиболее эффективное использование энергии.
Поток энергии в экосистемах осуществляется через сложный механизм, включающий процессы ассимиляции, накопления, транспорт и высвобождение энергии. Важнейший этап в этом механизме - ассимиляция энергии, которая представляет собой превращение кинетической энергии фотонов в биологически доступную потенциальную энергию химических связей в органических соединениях. По способности к ассимиляции энергии организмы делятся на два типа:
- автотрофы (продуценты) - организмы, самостоятельно синтезирующие органические вещества, поглощая минеральные вещества и энергию, поступающую из вне;
- гетеротрофы (консументы и редуценты) – организмы, получающие необходимые органические вещества и энергию с пищей, представляющую собой живую или мертвую биомассу.
К автотрофам относятся зеленые растения и некоторые виды бактерий. Гетеротрофами являются все животные, грибы, подавляющее большинство бактерий, некоторые водоросли и бесхлорофилльные высшие растения.
Трофические цепи и сети
Транспорт энергии в экосистемах осуществляется через пищевые цепи. Пищевая цепь – это перенос энергии в форме пищи от ее источника (автотрофа) через ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими. Обычно различают два типа пищевых цепей:
- пастбищная цепь, начинающаяся живыми растениями (продуцентами), живой тканью которых питаются растительноядные животные (фитофаги);
- детритная цепь, начинающаяся мертвым органическим веществом (детритом), потребляемым мертвоядными организмами (детритофагами).
Рис. 2 - Y-образная модель потока энергии, показывающая связь между пастбищной и детритной пищевыми цепями (Ю. Одум, 1986)
Различают два типа пищевых цепей (рис. 2).
Цепи выедания (или пастбищные) — пищевые цепи, начинающиеся с живых фотосинтезирующих организмов. Например, фитопланктон —» зоопланктон—> рыбы микрофаги —» рыбы макрофаги —> птицы ихтиофаги.
Цепи разложения (или детритные) — пищевые цепи, начинающиеся с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных. Например, детрит —» детритофаги —> хищники микрофаги —» хищники макрофаги. Таким образом, поток энергии, проходящий через экосистему, разбивается как бы на два основных направления. Энергия к консументам поступает через живые ткани растений или через запасы мертвого органического вещества. Цепи выедания преобладают в водных экосистемах, цепи разложения — в экосистемах суши.
Передача энергии по пищевой цепи подчиняется второму закону термодинамики, согласно которому процессы, связанные с превращениями энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что часть этой энергии рассеивается в форме тепла. В связи с этим, в каждом звене пищевой цепи теряется значительная доля (80-95%) энергии, заключенной в доступной пище.
В сообществах пищевые цепи сложным образом переплетаются и образуют пищевые сети. В состав пищи каждого вида входит обычно не один, а несколько видов, каждый из которых в свою очередь может служить пищей нескольким видам. С одной стороны, каждый трофический уровень представлен многими популяциями разных видов, с другой стороны, многие популяции принадлежат сразу к нескольким трофическим уровням. В результате благодаря сложности пищевых связей выпадение какого-то одного вида часто не нарушает равновесия в экосистеме.
Экологические пирамиды
Закономерности транспорта энергии в пищевых цепях удобно изображать графически с помощью диаграмм, которые называются «экологические пирамиды». Они представляют собой соотношение численности организмов, их биомасс, эквивалентных этим биомассам энергий или продукции организмов на различных трофических уровнях пищевой цепи.
Существует три основных типа пирамид
-пирамида чисел - показывает численность отдельных организмов;
-пирамида биомассы - характеризует общий сухой вес, калорийность или другую меру общей численности живого вещества;
-пирамида энергии отвечает величине потока энергии или продуктивности на последовательных трофических уровнях.
Рис 3 - Пирамиды чисел (а), биомасс (б) и энергии (в), представляющие упрощенную экосистему: люцерна — телята — мальчик 12 лет (по Ю. Одуму, 1959)
Пирамиды чисел и биомассы могут быть обратными, т.е. основа может быть меньшей, чем один или несколько верхних уровней. Так бывает когда средние размеры продуцентов меньше чем размеры консументов. Пирамида энергии всегда сужается к верху при условии, что будут учтены все источники питания в системе.