ЛЕКЦИЯ 6 ЭНЕРГЕТИКА ЭКОСИСТЕМ (БИОгеоЦЕНОЗОВ)
1. Поток энергии и круговорот питательных веществ.
2. Пищевые цепи и трофические уровни.
3. Экологические пирамиды.
4. Продуктивность экосистем.
5. Рациональное использование экосистем.
Поток энергии и круговорот питательных веществ
Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ (круговоротом биогенных элементов).
Энергия – способность совершать работу, необходимую для поддержания жизни. Т. о. экосистема – единый механизм, потребляющий энергию и питательные вещества для совершения работы. Питательные вещества (биогенные элементы) первоначально поступают из абиотического компонента экосистемы и в него же возвращаются в виде отходов жизнедеятельности, либо после гибели организма. Таким образом происходит постоянный круговорот питательных веществ (биогенных элементов), в котором участвуют живые и неживые компоненты экосистемы – биогеохимические циклы. Движущая сила круговорота – энергия Солнца.
Поток энергии и круговорот биогенных элементов в экосистемах (схема):
энергия
Солнце Биотический компонент Тепловая энергия
света биогенные
элементы
Абиотический компонент
регуляция
Живые организмы – преобразователи энергии и каждый раз, когда происходит превращение энергии, часть ее теряется в виде тепла (2 закон термодинамики). В конце концов, вся энергия, поступающая в биотический компонент экосистемы, рассеивается в виде тепла. Поток энергии через экосистемы – энергетика экосистем. Единица измерения энергии - калория – количество тепла, необходимое для повышения температуры 1г воды на 1ºС (от 14,5 до 15,5ºС). Источник энергии – Солнце, излучающая электромагнитную энергию звезда. Часть этой энергии - 10,5·106 кДж/м² в год захватывается землей. 40% этой энергии отражается от облаков, пыли и поверхности Земли, 15% поглощается озоновым слоем, оставшиеся 45% поглощаются растениями или земной поверхностью (5·106 кДж/м² в год). Большая часть этой энергии повторно излучается земной поверхностью и нагревает атмосферу, небольшая часть усваивается биотическими компонентами экосистем.
2. Пищевые цепи и трофические уровни.
Внутри экосистемы энергия света при помощи фотосинтеза в автотрофных организмах (зеленые растения) преобразуется в органическое вещество, которое служит пищей для гетеротрофов (животных организмов). Эти животные могут быть съедены другими животными и т. д., т.е. каждый последующий организм питается предыдущим, поставляющим ему сырье и энергию. Такая последовательность – пищевая цепь, а каждое ее звено – трофический уровень.
1 трофический уровень – автотрофы – растения (продуценты).
2 трофический уровень – первичные консументы (животные)
3 трофический уровень – вторичные консументы и т. д.
Обычно размеры пищевых цепей ограничиваются 4-5 трофическими уровнями.
Схема: Тепловая энергия
Солнечная Продуценты Травоядные Хищники Конечные
энергия хищники
Детритофаги и редуценты
(разрушители мертвых остатков)
Тепловая энергия
1. Продуценты – автотрофные организмы (зеленые растения). Превращают энергию солнца в энергию химических связей органических соединений. В водных экосистемах первичные продуценты – водоросли, составляют фитопланктон поверхностных слоев рек, озер, морей. На суше первичные продуценты – голосеменные и покрытосеменные растения (леса и луга).
2. Первичные консументы – питаются продуцентами – травоядные животные. На суше – насекомые, рептилии, птицы и млекопитающие. В водных экосистемах – моллюски и мелкие ракообразные – составляющие зоопланктон, питающийся фитопланктоном. К первичным консументам относятся также паразиты растений.
3. Консументы второго и третьего порядка – питаются травоядными животными. Могут быть хищниками (схватывают и убивают жертву), могут питаться падалью или быть паразитами травоядных или плотоядных животных. В типичных пищевых цепях каждый последующий организм больше предыдущего (это не относится к пищевым цепям паразитов).
Примеры:
Морская цепь: одноклеточная водоросль веслоногие рачки сельдь
Лесная цепь: растение муха паук землеройка сова
4. Редуценты. Тела погибших растений и животных и их прижизненные выделения могут служить источником питания для микроорганизмов (грибы, водоросли и бактерии) – редуценты – выделяют пищевые ферменты на мертвые тела и отходы жизнедеятельности и поглощают продукты их переваривания.
5. Детритофаги (детритные пищевые цепи). Выше приведенные цепи – пастбищные пищевые цепи, в которых 1 трофический уровень – растения, 2 уровень – пастбищные животные, 3 уровень – хищники и т.д.
Кусочки частично разложившегося органического материала – детрит. Многие животные питаются им, ускоряя процесс разложения – эти животные являются детритофагами. Детритофагами могут питаться более крупные организмы, что ведет к образованию детритной пищевой цепи:
Детрит детритофаг хищник.
Пример: Мертвое животное личинки падальных мух травяная лягушка → уж обыкновенный.
Реальные пищевые цепи в экосистеме намного сложнее, т. к. животное может питаться организмами разных типов из одной и той же пищевой цепи или из разных пищевых цепей. Некоторые питаются и растениями и животными – всеядные (человек). В действительности пищевые цепи переплетаются т.о., что образуется пищевая сеть.
Экологические пирамиды.
Экологические пирамиды – это графический способ отображения пищевых взаимоотношений в экосистеме.
3 типа экологических пирамид:
1. Пирамиды численности (чисел) – используются вместо пищевых цепей. Подсчитывается число различных организмов на данной территории, сгруппированных по трофическим уровням. Количество организмов на данном трофическом уровне отражается в виде прямоугольника, длина (площадь) которого пропорциональна числу организмов в данной площади или объеме.
конечные хищники IV (третичные консументы)
плотоядные III (вторичные консументы)
травоядные II (первичные консументы)
растения I (продуценты)
 | |
Неудобства пирамиды численности:
а) продуценты сильно отличаются по размерам, а один экземпляр злака или водоросли имеет тот же статус, что и одно дерево (отсюда возникают перевернутые пирамиды). Цепи питания паразитов также дают перевернутые пирамиды.
б) диапазон численности разных видов настолько широк, что часто трудно соблюсти масштаб при изображении пирамиды.
2. Пирамиды биомассы – учитывается суммарная масса организмов (биомасса) каждого трофического уровня.
0,01
1
600
 |
продукция, выражается в
г сухой массы на 1 м²
Ряд неудобств:
а) популяции крупных и долгоживущих животных и растений обладают меньшей скоростью обновления биомассы по сравнению с мелкими и короткоживущими и аккумулируют вещество и энергию в течение более длительного времени.
б) сезонные изменения биомассы (пример: биомасса фитопланктона превышает биомассу зоопланктона в период «весеннего цветения», но в другие периоды возможны другие соотношения, см. схему, все числа даны в г сух. в-ва на 1м3).
 | |
6 вторичные консументы (рыба) 3 10 первичные консументы (зоопланктон) 8
2 продуценты (фитопланктон) 120
осень весна
3. Пирамиды энергии – идеальный способ отражения связей между организмами на разных трофических уровнях.
Преимущества:
а) отражает скорость образования биомассы. Каждая ступенька пирамиды энергии отражает количество энергии (на единицу площади или объема), прошедшей через определенный трофический уровень за определенный период.
 |
от хищников к конечным хищникам 88
от травоядных к хищникам 1603
от продуцентов к травоядным 14098
валовая продукция продуцентов 87110
количество энергии (в кДж/м²·год)
б) пирамиды энергии позволяют сравнить не только различные экосистемы, но и относительную значимость популяций внутри экосистемы.
в) к основанию пирамиды энергии можно добавить еще один прямоугольник, отображающий поступление солнечной энергии.