Пищевые цепи и потоки энергии в экосистеме

Содержание

1. 1. Экосистема: структура и потоки вещества3
2. 2. Трофические уровни и пищевые цепи6
3. 3. Правило 10% и экологические пирамиды8
4. 4. Продуктивность экосистем и устойчивость10
5. Список литературы12

1. Экосистема: структура и потоки вещества

Термин «экосистема» ввёл в науку английский ботаник Артур Тенсли в 1935 году. Он предложил рассматривать живые организмы и окружающую их неживую среду не как отдельные объекты, а как единое целое. Согласно его определению, экосистема это совокупность совместно обитающих организмов и условий их существования, связанных непрерывным обменом вещества и энергии. Чуть позже, в 1942 году, советский эколог Владимир Сукачёв разработал близкое понятие «биогеоценоз». Оно акцентирует внимание на конкретном участке земной поверхности с однородными условиями, где взаимодействие между живыми и косными компонентами имеет чёткие пространственные границы. Хотя термины часто употребляют как синонимы, биогеоценоз всегда привязан к конкретной территории, тогда как экосистема может быть любого масштаба: от лужи до биосферы в целом.

Структура любой экосистемы предполагает наличие двух основных блоков. Первый блок это абиотическое окружение: солнечный свет, температура, влажность, химический состав почвы и воды, атмосферные газы. Второй блок составляют живые организмы, которые по способу получения энергии и питательных веществ делятся на три функциональные группы. Продуценты, главным образом зелёные растения и цианобактерии, создают органическое вещество из неорганического, используя энергию Солнца в процессе фотосинтеза. Консументы, к которым относятся все животные и часть микроорганизмов, потребляют готовое органическое вещество, но не разлагают его до исходных минеральных элементов. Эту финальную работу выполняют редуценты: бактерии и грибы. Они разрушают мёртвую органику (опавшие листья, трупы, экскременты) и возвращают в почву и воду соединения азота, фосфора, углерода, которые снова могут использовать продуценты.

Ключевое свойство экосистемы заключается в том, что энергия и вещество движутся через неё принципиально разными путями. Поток энергии строго однонаправлен. Солнечный свет, поглощённый продуцентами, превращается в химическую энергию связей органических молекул. Далее эта энергия передаётся от консументов к редуцентам, но на каждом этапе значительная её часть рассеивается в пространстве в виде тепла. Это рассеивание неустранимо, и оно подчиняется второму закону термодинамики, который гласит, что при любых превращениях энергии часть её переходит в форму, непригодную для дальнейшего использования. Именно поэтому экосистема не может существовать без постоянного притока энергии извне. Солнце в данном случае выступает единственным достаточно мощным и стабильным источником, обеспечивающим работу всей системы.

С круговоротом веществ ситуация иная. В отличие от энергии, вещество не исчезает и не появляется заново, оно совершает замкнутый цикл. Атомы углерода, азота и других элементов бесконечно переходят из неорганической формы в органическую и обратно. Замыкание цикла обеспечивают именно редуценты. Если бы они прекратили свою деятельность, экосистема быстро исчерпала бы запасы доступных минеральных солей. Например, в хвойном лесу подстилка из опавшей хвои разлагается крайне медленно из-за низких температур и кислой реакции почвы. Этот пример наглядно показывает, что скорость минерализации напрямую определяет продуктивность всего сообщества: чем быстрее редуценты возвращают элементы в почвенный раствор, тем активнее растут новые поколения растений. Академик Владимир Вернадский в своих работах по биогеохимии подчёркивал, что именно живое вещество играет ведущую роль в перераспределении химических элементов на планете, и эта роль реализуется исключительно через круговороты, поддерживаемые деятельностью всех трёх групп организмов.

Таким образом, экосистему можно представить как динамичную систему, где энергия проходит сквозь неё потоком, а вещество вращается по кругу. Такая организация обеспечивает относительную устойчивость природных сообществ, позволяя им существовать десятилетиями и даже столетиями при неизменных внешних условиях.

2. Трофические уровни и пищевые цепи

Каждый живой организм в экосистеме занимает своё место в общем потоке вещества и энергии. Для описания этого места экологи используют понятие трофического уровня. В научный обиход его ввёл Рэймонд Линдеман в 1942 году. Трофический уровень объединяет организмы, получающие энергию от источника, который находится на одинаковом удалении от начала пищевой цепи. Если совсем просто, то это «этаж» в здании экосистемы, где все жители питаются сходным образом.

Первый трофический уровень образуют зелёные растения, водоросли и цианобактерии. Их называют продуцентами, потому что они сами создают органическое вещество из неорганического, используя энергию солнца. Второй уровень составляют травоядные животные (консументы первого порядка). Хищники, поедающие травоядных, поднимаются на третий, а более крупные хищники, охотящиеся на них, занимают четвёртый. Так выстраивается последовательная цепочка передачи энергии. В экологии она называется пищевой или трофической цепью.

Существует два принципиально разных типа таких цепей. Пастбищная цепь начинается с живых продуцентов. Классический пример: фитопланктон поедает зоопланктон, зоопланктоном питается мелкая рыба, а её ловит щука. Но значительная часть органического вещества в экосистеме не потребляется живыми организмами. Опавшие листья, погибшие животные и продукты их жизнедеятельности образуют мёртвую органику, которую называют детритом. Цепь, начинающаяся с этого мёртвого материала, называется детритной. В ней главную роль играют редуценты: бактерии, грибы, а также детритофаги вроде дождевых червей или жуков-мертвоедов. Наблюдения показывают, что в лиственных лесах умеренной зоны детритные цепи передают даже больше энергии, чем пастбищные.

В природе редко встречаются изолированные линейные цепочки. Обычно организм питается несколькими видами добычи, а сам служит пищей разным хищникам. Когда пищевые цепи переплетаются между собой, образуется сложная пищевая сеть. Такое переплетение меняет свойства экосистемы. Если один вид выпадает из сети, у его потребителей остаётся возможность переключиться на другие источники питания. Поэтому экосистемы с богатым видовым разнообразием и разветвлёнными пищевыми сетями гораздо лучше выдерживают внешние возмущения, будь то климатические колебания или вторжение чужеродных видов.

Передача энергии между трофическими уровнями подчиняется строгим ограничениям. При каждом переходе от одного уровня к другому значительная часть энергии теряется безвозвратно. Она расходуется на дыхание, движение, поддержание температуры тела. Согласно данным из учебных курсов по общей экологии, до следующего уровня доходит лишь около 10% энергии, заключённой в биомассе предыдущего. У этой закономерности есть прямое следствие: длина пищевой цепи не может быть бесконечной. Обычно она ограничивается четырьмя, максимум пятью звеньями. На шестом уровне энергии остаётся так мало, что она не способна поддерживать жизнеспособную популяцию хищников. Поэтому в природе мы не встречаем цепей из восьми или десяти последовательных звеньев, как бы ни были разнообразны виды в конкретном биогеоценозе.

3. Правило 10% и экологические пирамиды

Если пищевые цепи описывают, кто кого ест, то количественная сторона этого процесса подчиняется строгим законам термодинамики. Американский эколог Раймонд Линдеман в 1942 году опубликовал работу, которая стала фундаментом современной трофической экологии. Проанализировав данные по озеру Мендота в Висконсине, он сформулировал правило, известное сегодня как правило 10%. Согласно ему, при переходе с одного трофического уровня на другой усваивается и переходит в биомассу консумента лишь около 10% энергии, заключённой в пище. Остальные 90% не пропадают бесследно.

Основная масса энергии растрачивается на поддержание жизнедеятельности. Она уходит на метаболические процессы, обеспечение работы мышц, поддержание температуры тела и просто выделяется в окружающую среду в виде тепла. Часть энергии не усваивается вовсе и покидает организм с экскрементами. Именно поэтому длина пищевых цепей редко превышает пять или шесть звеньев: на четвёртом-пятом уровне энергии остаётся так мало, что её не хватает для существования ещё одной группы крупных хищников. Это же объясняет, почему биомасса хищников всегда значительно меньше биомассы продуцентов, которые их кормят.

Для наглядного отображения этих потерь экологи используют графические модели, которые называются экологическими пирамидами. Они показывают соотношение показателей между продуцентами, консументами первого порядка и последующими уровнями. Существует три основных типа таких пирамид. Пирамида чисел отражает количество отдельных организмов на каждом уровне. Пирамида биомассы показывает суммарную массу всех организмов данного уровня, выраженную в граммах или килограммах на единицу площади. Наконец, пирамида энергии демонстрирует количество энергии, проходящей через каждый уровень за определённый промежуток времени, например за год.

Самой строгой и универсальной является пирамида энергии. Она всегда имеет правильную, сужающуюся кверху форму. Это логично следует из правила Линдемана: если каждый следующий уровень получает лишь десятую часть энергии предыдущего, то величина потока энергии неизбежно убывает снизу вверх. Нарушить этот закон невозможно, поэтому пирамида энергии всегда прямая.

С пирамидами чисел и биомассы ситуация иная. Они могут быть инвертированными, то есть перевёрнутыми. Классический пример пирамиды чисел: одно дерево служит пищей для десятков тысяч гусениц, которыми питаются несколько синиц. Здесь основание пирамиды (одно растение) меньше, чем второй уровень (множество насекомых). Пирамида биомассы также бывает перевёрнутой в водных экосистемах. Фитопланктон, составляющий основу пирамиды, живёт всего несколько дней и постоянно поедается зоопланктоном. В любой момент времени суммарная масса зоопланктона может превышать массу существующего на данный момент фитопланктона, хотя общая продукция водорослей за сезон гораздо больше. Эти искажения исчезают, если перейти от мгновенных замеров к учёту энергии, накопленной за длительный период. Именно поэтому в экологии принято считать, что пирамиды энергии дают наиболее точную картину функционирования экосистемы.

4. Продуктивность экосистем и устойчивость

Если предыдущие главы описывали, как энергия движется по трофическим уровням, теперь закономерен вопрос: с какой скоростью и в каком объёме это происходит? Ответ даёт понятие продуктивности. Речь идёт не о запасе биомассы в конкретный момент, а о скорости её образования. Первичная продукция создаётся автотрофами, главным образом растениями, за единицу времени. Вторичная продукция производится консументами, которые эту биомассу потребляют.

Экологи различают валовую и чистую первичную продукцию. Валовая отражает всю энергию, которую продуценты связали в процессе фотосинтеза. Однако значительная часть этого запаса тут же тратится на поддержание собственного метаболизма, то есть на дыхание. То, что остаётся после вычета этих затрат, называется чистой первичной продукцией. Именно эта величина служит реальным ресурсом для всех гетеротрофов: травоядных, хищников, паразитов и редуцентов. Если чистая продукция падает, голод становится неизбежным для всей пищевой сети.

Продуктивность экосистем распределена по планете крайне неравномерно. Решающими факторами выступают климат, обеспеченность влагой и наличие элементов минерального питания. Влажные тропические леса с их круглогодичным теплом и обилием осадков демонстрируют максимальные показатели чистой первичной продукции, достигая нескольких килограммов органического вещества на квадратный метр в год. Пустыни и арктические тундры, напротив, дают лишь десятки граммов. В океане наиболее продуктивны зоны апвеллингов, где холодные течения поднимают со дна питательные вещества. Открытые воды тропиков, вопреки стереотипам о буйстве жизни, бедны планктоном из-за нехватки азота и фосфора.

Однако было бы ошибкой напрямую связывать высокую продуктивность с высокой устойчивостью. Экосистема с огромной биомассой, например

монокультурное пшеничное поле, может быть крайне хрупкой. Её устойчивость определяется не количеством произведённого органического вещества, а структурой пищевых связей. Чем сложнее пищевая сеть, чем больше в ней перекрёстных связей между разными видами, тем больше у системы возможностей скомпенсировать потерю одного из компонентов. Если какой-то вид выпадает, его нишу занимают другие. В простой системе из нескольких видов исчезновение одного звена обрывает поток энергии, и вся конструкция рушится, как карточный домик.

В этом контексте тревожно выглядит антропогенное воздействие. Вырубка лесов, осушение болот, распашка степей и загрязнение водоёмов напрямую снижают способность экосистем создавать первичную продукцию. Человек упрощает пищевые сети, заменяя естественные многовидовые сообщества на искусственные агроценозы. В результате потоки энергии нарушаются, а продуктивность начинает зависеть от постоянных вложений извне (удобрений, пестицидов, полива). При прекращении этой поддержки такая система быстро деградирует. Продуктивность и устойчивость, хотя и связаны, являются разными свойствами экосистемы, и задача сохранения природы требует учитывать оба этих параметра.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Поток энергии в экосистемах — https://openedo.mrsu.ru/catalog/Estestvennie/2014/sistemnaya_ecologia_bashmakov/c40.html

2. Урок 3: Пищевые цепи. Взаимосвязь компонентов биоценоза — https://lc.rt.ru/classbook/biologiya-7-klass/videouroki-osnovy-ekologii-616/3708

3. Пищевые связи. Круговорот веществ и энергии в экосистемах — https://nsportal.ru/shkola/biologiya/library/2013/12/19/pishchevye-svyazi-krugovorot-veshchestv-i-energii-v-ekosistemakh

4. Пищевые цепи. Потоки энергии — https://urok.1sept.ru/publication/97824

5. Курсовая работа — https://elib.pnzgu.ru/files/eb/doc/X5OHmO364xd2.pdf

6. §3.Пищевые цепи и потоки энергии в экосистемах — https://studfile.net/preview/10062674/page:15/

7. Экология. Машкова Зыбаловpdf - Стр 5 — https://studfile.net/preview/5948286/page:5/

8. Поток энергии в экосистемах. — https://studfile.net/preview/8802129/