Солнце как источник энергии
Первоисточником энергии для экосистем служит Солнце. Солнце – это звезда, излучающая в космос огромное количество энергии. Энергия распространяется в космическом пространстве в виде электромагнитных волн, и небольшая часть ее, составляющая 10,5 х 106кДж/м2, в год захватывается Землей. Около 40 % этого количества сразу отражается от облаков, атмосферной пыли и поверхности Земли без какого бы то ни было теплового эффекта. 15 % поглощается атмосферой (озоновым слоем) и превращается в тепловую энергию, или расходуется на испарение воды. Оставшиеся 45 % поглощаются растениями или земной поверхностью. В среднем это составляет 5 х 106кДж/м2 в год. Большая часть энергии излучается земной поверхностью и нагревает атмосферу (2/3), и только небольшая часть, пришедшей от Солнца энергии усваивается биотическим компонентом экосистемы (рис. 50).
Рис. 50. Поток солнечной энергии на Земле и ее трансформации (по Т.А. Акимовой, В.В. Хаскину, 1994)
Скорость фиксации солнечной энергии определяет продуктивность сообществ. Основной показатель продуктивности – биомасса организмов, составляющих экосистему. Биомасса выражается в единицах массы или энергии живого вещества организмов, приходящихся на единицу площади или объема. Продуктивность автотрофных организмов представляет собой первичную продуктивность. Продуктивность гетеротрофных организмов составляет вторичную продуктивность. Первичная валовая продукция – продукция фотосинтеза. Это вся химическая энергия в форме произведенного органического вещества. Если из валовой продукции изъять ту часть энергии, которая тратится растениями на дыхание, то получится чистая первичная валовая продукция. Зеленые растения могут перерабатывать от 1 % до 5%, поступающей на земную поверхность энергии Солнца. Животные, питающиеся растениями для образования биомассы своего тела используют всего 1 % энергии, содержащейся в растительном материале. Экосистема океана дает половину всей продуктивности планеты, леса – третью часть, пашни – около 1/10. Оценку продуктивности экосистем всегда производят по первичной продукции. Первичная продукция во много раз больше вторичной продукции. В целом вторичная продуктивность колеблется от 1 % до 10 % в зависимости от свойств животных и особенностей поедаемости ими корма.
Пищевые (трофические) цепи, пирамиды
Внутри экосистемы содержащие энергию органические вещества создаются автотрофными организмами и служат пищей (источником вещества и энергии) для гетеротрофов. Типичный пример, животное поедает растение. Это животное в свою очередь может быть съедено другим животным и таким образом может происходить перенос энергии через ряд организмов: каждый последующий питается предыдущим, поставляет ему сырье и энергию. Такая последовательность называется пищевой цепью, а каждое ее звено трофическим уровнем (tropho - питание). Первый трофический уровень занимают первичные продуценты. Это автотрофные организмы, в основном зеленые растения. Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами (травоядные животные). Ими являются насекомые, рептилии, птицы, млекопитающие (грызуны и копытные – лошадь, овца, крупный рогатый скот). Они питаются первичными продуцентами. Вторичные консументы (третий трофический уровень) питаются травоядными. Это уже плотоядные животные, как и третичные консументы (четвертый трофический уровень), поедающие консументов второго порядка. Консументы второго и третьего порядка могут быть хищниками, могут питаться падалью и быть паразитами. Обычно бывает 4 -5 трофических уровней и редко больше 6.
В типичных пищевых цепях хищников плотоядные животные оказываются крупнее на каждом следующем трофическом уровне:
Растительный материал (нектар) → муха → паук → землеройка → сова;
Сок розового куста → тля → божья коровка → паук → насекомоядная птица → хищная птица.
В типичных пищевых цепях, включающих паразитов, последние становятся меньше по размерам на каждом следующем трофическом уровне.
Существует два главных типа пищевых цепей – пастбищные и детритные. В пастбищных цепях первый трофический уровень занимают зеленые растения, второй – пастбищные животные (все организмы, питающиеся растениями), третий – хищники.
Тело погибших растений и животных еще содержат энергию и строительный материал, также как и прижизненные выделения моча, фекалии. Эти органические материалы разлагаются микроорганизмами - грибами и бактериями, живущими как сапрофиты на органических остатках. Такие организмы называются редуцентами. Они выделяют пищеварительные ферменты на мертвые тела или отходы жизнедеятельности и поглощают продукты их переваривания. Скорость разложения может быть различной. Органические вещества мочи, фекалий и трупов животных потребляются в течение нескольких недель, тогда как упавшие деревья и ветви могут разлагаться многие годы. Очень существенную роль в разложении древесины играют грибы, они выделяют фермент целлюлазу, размягчающий древесину, и это дает возможность мелким животным проникать внутрь и поглощать различный материал. Кусочки частично разложившегося материала называют детритом, многие мелкие животные: дождевые черви, мокрицы, клещи, нематоды, черви - энхитреиды (детритофаги) питаются ими, ускоряя процесс разложения. Детритофагами могут питаться более крупные организмы и тогда создается пищевая цепь другого типа, начинающаяся с детрита:
Детрит → детритофаг → хищник;
Мертвое животное → личинки падальных мух → травяная лягушка → уж.
Реальные пищевые связи в экосистеме намного сложнее. Животное может питаться организмами разных типов или даже из разных пищевых цепей (хищники верхних трофических уровней). Поэтому пищевые цепи переплетаются, образуя пищевую сеть.