Потоки вещества и энергии в экосистеме

Поток вещества – перемещение вещества в форме химических элементов и их соединений от продуцентов к редуцентам (через консументы или без них).

Поток энергии – переход энергии в виде химических связей органических соединений (пищи) по цепям питания от одного трофического уровня к другому (более высокому).

Живые организмы в биоценозах тесно связаны не только друг с другом, но и с неживой природой через вещество и энергию. Протекающие через живые организмы потоки вещества и энергии в процессе обмена веществ весьма велики. Человек, например, за свою жизнь потребляет десятки тонн пищи и воды, тысячи кубометров воздуха.

Чрезвычайно высокая интенсивность потоков вещества из неорганической природы в живые тела давно привела бы к полному исчерпанию запасов необходимых для жизни соединений, т. е. биогенных элементов. Но этого не происходит, и жизнь не прекращается, так как указанные элементы постоянно возвращаются в окружающую среду. И происходит это благодаря биоценозам, в которых в результате пищевых отношений между видами синтезированные растениями сложные органические вещества превращаются, в конце концов, в такие простые соединения, как диоксид углерода, вода, ряд элементов, которые могут быть снова использованы растениями в процессе фотосинтеза. Так возникает биологический круговорот вещества (см. разд. 2.6.2). Следовательно, биоценоз, будучи и сам по себе сложной системой живых организмов, является частью еще более сложной системы. В последнюю помимо живых организмов входит и их неживое окружение, которое содержит различные вещества и энергию, необходимые для развития и обеспечения жизнедеятельности.

Исследованиями ученых установлено, что в наземных экосистемах только незначительная часть биомассы, потребленной животными, используется для создания собственной массы. Эта величина для большинства животных не превышает 10%. Таким образом, если заяц съел 10 кг растительной массы, то за счет этого его собственная масса увеличится только на 1 кг, а, поедая 1 кг зайчатины, лисица увеличивает свою массу только на 100 г, т. е. на 0,01 от биомассы растений, съеденных зайцем. Если изобразить биомассы растений, зайца и лисицы графически, то мы получим так называемую пирамиду биомасс (рис.3).

 

 

 

Коралловый Залежь Пелагиаль океана

 

Рис. 3. Пирамиды биомассы некоторых сообществ (по Ф. Дре, 1976 г.):

П – продуценты, РК – растительноядные консументы, ПК – плотоядные консументы; Ф – фитопланктон, З – зоопланктон (крайняя справа пирамида биомассы имеет перевернутый вид)

Всем экосистемам отвечают определенные соотношения первичной и вторичной продукции, называемые правилом пирамиды продукции: на каждом предыдущем трофическом уровне количество биомассы, создаваемой за единицу времени, больше, чем на последующем.

Например, масса всех трав, выросших за год в степи, значительно больше, чем годовой прирост всех растительноядных животных, а прирост хищников меньше, чем растительноядных животных.

В тех трофических цепях, где передача происходит в основном через связи «хищник-жертва», справедливо правило пирамиды чисел: общее число особей, которые участвуют в цепях питания, с каждым последующим звеном уменьшается.

Поясним это правило. Хищник обычно крупнее своих жертв и для поддержания собственной биомассы ему нужно несколько или много жертв. Однако бывают случаи, когда более мелкие хищники живут за счет групповой охоты на крупных животных.

Подчеркнем, что из правила пирамиды биологической продукции нет исключений, потому что оно отражает законы передачи энергии в цепях питания.

Куда деваются остальные 90% съеденной биомассы? Чтобы разобраться в этом, рассмотрим энергетическую сторону процессов, происходящих в пищевых цепях.

Как универсальное явление природы, односторонний приток энергии обусловлен действием законов термодинамики. Согласно первому из них: энергия может переходить из одной формы (энергии света) в другую (потенциальную энергию пищи), но она никогда не создается вновь и не исчезает бесследно.

Согласно второму закону термодинамики не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потери некоторой ее части. Поэтому не может быть превращений, например, пищи в вещество, из которого состоит тело организма, идущих со 100 %-ной эффективностью.

Таким образом, функционирование всех экосистем определяется постоянным притоком энергии, которая необходима всем организмам для поддержания их существования и самовоспроизведения.

Сначала необходимо разобраться в сущности процесса фотосинтеза и окисления органических веществ.

Известно, что в процессе фотосинтеза в хлорофилловых зернах клеток листьев происходит образование органических веществ из неорганических соединений – воды и углекислого газа.

Процесс этот эндотермический, т. е. происходит с поглощением большого количества энергии, которая поступает в растения в виде видимых лучей Солнца. Поглощенная энергия аккумулируется в синтезированных соединениях в другой форме – в форме энергии химических связей.

Процесс фотосинтеза выражается в общем виде формулой:

	Свет хлорофилл

6СО₂ + 6Н₂О + 2831кДж С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

 

При разложении органических соединений на более простые вещества аккумулированная энергия освобождается и выходит в виде тепла.

В организмах живых существ, как и при горении, сложные органические вещества подвергаются окислению, а выделившаяся при этом энергия тратится на движение, размножение, поддержание нормальной температуры тела и т. д., в результате, она излучается в окружающее пространство в виде тепловых (инфракрасных) лучей. Поскольку инфракрасные лучи не улавливаются растениями, то эта энергия уходит безвозвратно в мировое пространство.

В пищевых цепях энергия переносится вместе с биомассой от одного звена к другому, и в каждом звене большая часть ее теряется в виде теплового излучения. При этом в каждом звене в среднем уходит около 90% всей энергии и только 10% задерживается в организме в виде химических связей вновь синтезированных органических веществ. Указанное соотношение в передаче энергии в пищевых связях организмов называют «правилом десяти процентов» (принцип Линдемана). Например, количество энергии, которая доходит до третичных плотоядных (пятый трофический уровень), составляет лишь около 10^-4 энергии, поглощенной продуцентами. Тем самым объясняется ограниченное количество (4–6) звеньев (уровней) в пищевой цепи независимо от сложности видового состава биоценоза.

Рассматривая поток энергии в экосистемах, легко понять также, почему с повышением трофического уровня биомасса снижается.

Пирамида энергии более точно отображает трофические связи организмов, поскольку она характеризует скорость возобновления биомасс. На каждом уровне пирамида энергии отражает удельное количество энергии (на единицу площади или объема), прошедшей через предыдущий трофический уровень за данный отрезок времени. Пирамиды потоков энергии никогда не бывают «перевернутыми»: следующий трофический уровень может «пропустить через себя» лишь часть энергии, усвоенной предыдущим уровнем.

Растительноядные животные поедают не всю биомассу растений. Несъедобная часть отмирает и поступает в почву в виде опада. В почву также поступают трупы животных. В общей сложности вместе с опадом и трупами животных в почву переходит более 90% запасов энергии, аккумулированной в органических веществах.

Опад и трупы животных, а также их экскременты перерабатываются целой «армадой» бактерий, грибов, почвенных беспозвоночных животных. Поскольку, как мы видели, в опад переходит большая часть биомассы, то и роль организмов-редуцентов в жизни биосферы огромна.

Общими усилиями всех этих организмов остатки растений и животных полностью перерабатываются, сложные, богатые энергией органические вещества при этом расщепляются до молекул СО₂, Н₂О и некоторых других простых веществ, содержащих мало связанной энергии. Они поступают затем в почву, атмосферу, воду и могут быть снова использованы растениями.

Подчеркнем тот факт, что в отличие от веществ, которые постоянно циркулируют по разным частям экосистемы и всегда могут вновь участвовать в круговороте, поступившая энергия может быть использована только один раз.

Энергию и круговорот веществ в жизненных процессах биосферы можно сравнить с водяным колесом и потоком воды.

Колесо символизирует запасы вещества в биосфере: оно непрерывно крутится, оставаясь на месте и не изменяясь. То же самое происходит с веществом биосферы: не изменяясь количественно, оно находится в состоянии постоянного круговорота. Но колесо само по себе не будет вращаться, необходим постоянный поток воды. Вода, раз совершив работу, уходит и повторно не возвращается к колесу. Стоит прекратиться потоку воды – колесо остановится. Поток энергии через биосферу играет точно такую же роль. Он «крутит колесо» круговорота веществ и обеспечивает тем самым существование и развитие биосферы.

Изучение законов продуктивности экосистем, возможность количественного учета потока энергии чрезвычайно важны в практическом отношении, так как первичная продукция агроценозов и эксплуатируемых человеком природных сообществ – основной источник запасов пищи для человечества. Точные расчеты потока энергии и масштабов продуктивности экосистем позволяют регулировать в них круговорот веществ таким образом, чтобы обеспечить наибольший выход необходимой для людей продукции. Наконец, очень важно хорошо представлять допустимые пределы изъятия растительной и животной биомассы из природных систем. В противном случае может быть подорвана их продуктивность.