Энергетика и продуктивность биогеоценоза

К числу главных вопросов теории экологии относится проблема поддержания жизнедеятельности организмов и круговорота веществ в экосистемах. Жизнь на Земле существует за счет энергии солнечного излучения, которая переводится фотосинтезирующими организмами в химические связи органических соединений. Фотосинтез – эндоэргический процесс, поскольку сопровождается поглощением энергии.

Кроме растений синтез органического вещества может осуществляться бактериями (нитрифицирующими, серобактериями, железобактериями).

Организмы, которые строят свой организм без посредников, называются автотрофами, в т.ч. синтезирующие органическое вещество из неорганического с использованием энергии солнца (фотоавтотрофы) или химических реакций (хемоавтотрофы).

Они создают первичное органическое вещество из неорганического и носят название продуцентов. Организмы, использующие вещество, созданное автотрофами (употребляя его в пищу), называют гетеротрофами (питающимися другими).

Частичная или полная замена созданного в процессе питания органического вещества (его разложение до исходных химических компонентов) происходит благодаря особой стадии в трофических цепях – редуцированию за счет организмов-редуцентов.

Итак, цепи питания создают три основных звена (три типа организмов):

Продуценты. В основном это зеленые растения, потребляющие необходимые химические элементы непосредственно из окружающей среды и усваивающие энергию солнца, производя при этом из углекислого газа и воды простейший моносахарид – глюкозу, а затем, на его основе или с использованием его энергии, образуется многообразие биоорганических соединений: клетчатка, крахмал, белки, жиры, витамины.

Консументы. Эти виды живых существ (как правило, это животные) потребляют тела растений и других животных. Подразделяясь на травоядных (консументы 1 порядка) и плотоядных (консументы 2 порядка), они образуют пищевую пирамиду. В целом консументы съедают всего около 5% биомассы продуцентов.

Редуценты – микроорганизмы, грибы, насекомые, потребляющие умершие тела продуцентов, консументов и редуцентов, а также отходы их деятельности. Они разлагают сложные высокомолекулярные вещества тел на простейшие вещества и элементы – минеральные соединения и углекислый газ, которые могут вновь усваиваться продуцентами. Обычно редуценты потребляют и разлагают практически всю оставшуюся от консументов массу растений (до 95-99%), а также биомассу отживших консументов и редуцентов.

Следовательно, в естественных условиях биосфера находится в сбалансированном, устойчивом состоянии. Цикл воспроизводства биомассы почти безотходный. В качестве отхода остаются только те органические соединения или биокосные вещества, которые не могут быть усвоены редуцентами в силу геологических и географических условий (например, когда органика скапливается в большом количестве в бескислородной среде при низких температурах – процессы торфообразования). Подобные отходы – это залежи нефти, каменного угля, торфа и т. п. Эти соединения не вызывают нарушения экологического баланса биосферы и не являются собственно отходами в современном смысле этого термина. Сейчас отходы – это более или менее опасные вещества, вызывающие проблемы в развитии народного хозяйства и увеличивающие риск возникновения экологического кризиса и катастроф в локальном или глобальном масштабах.

Трофическая цепь в биогеоценозе – это одновременно цепь энергетическая. Академик Шварц С.С. назвал биогеоценоз машиной по трансформации вещества и энергии. В биогеоценозе (экосистеме) существует непрерывный поток энергии, заключающийся в передаче ее от одного пищевого уровня к другому. В силу второго закона термодинамики этот процесс связан с рассеиванием энергии на каждом последующем звене, т. е. с её потерями и возрастанием энтропии. В конечном итоге вся энергия, поглощаемая растениями, рассеивается и покидает Землю в виде теплового излучения. Рассеивание энергии все время компенсируется поступлением новой энергии от Солнца.

Каждая экологическая система обладает определенной продуктивностью, которая оценивается как скорость образования вещества биомассы. Основная, илипервичная, продуктивность системы определяется как скорость, с которой лучистая энергия Солнца усваивается организмами-продуцентами. Все накопленное экологической системой вещество, за вычетом израсходованного на дыхание, составляет фактическую, или чистую первичную, продуктивность сообщества. Продуктивность консументов носит название вторичной.

Трофическая пирамида

Трофический уровень — это совокупность организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания. К одному трофическому уровню принадлежат организмы, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней.

Так, зеленые растения занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные животные — второй (уровень первичных консу-ментов), первичные хищники, поедающие травоядных, — третий (уровень вторичных консументов), а вторичные хищники — четвертый (уровень третичных консументов). Трофических уровней может быть и больше, когда учитываются паразиты, живущие на консументах предыдущих уровней.

Такая последовательность и соподчиненность связанных в форме трофических уровней групп организмов представляет собой поток вещества и энергии в экосистеме, основу ее организации.

Трофическая структура экосистемы. В результате последовательности превращений энергии в пищевых цепях каждое сообщество живых организмов в экосистеме приобретает определенную трофическую структуру. Трофическая структура сообщества отражает соотношение между продуцентами, консументами (отдельно первого, второго и т.д. порядков) и редуцентами, выраженное или количеством особей живых организмов, или пх биомассой, или заключенной в них энергией, рассчитанными на единицу площади в единицу времени.

Трофическую структуру обычно изображают в виде экологических пирамид. Эту графическую модель разработал в 1927 г. американский зоолог Чарльз Элтон. Основанием пирамиды служит первый трофический уровень — уровень продуцентов, а следующие этажи пирамиды образованы последующими уровнями — консументами различных порядков. Высота всех блоков одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне. Различают три способа построения экологических пирамид.

Биотический круговорот

Биотический круговорот веществ - постоянная циркуляция веществ между почвой, растительным и животным миром и микроорганизмами.

Биотический круговорот веществ как замкнутая система отработан в процессе эволюции за несколько миллиардов лет. Мертвых животных и растения перерабатывают насекомые, простейшие, грибы, бактерии и другие деструкторы (редуценты), которые разрушают их, превращая в минеральные или простейшие органические соединения, поступающие в почву и вновь потребляемые растениями. Непрерывность, замкнутость этого процесса обеспечиваются распадом и разложением конечных продуктов.
Под влиянием биотического круговорота веществ концентрация фосфора в почве заметно выше (в среднем 0 1 - 0 3 %), чем в земной коре. Гумусовые горизонты ненарушенных почв богаты фосфором, в лесной подстилке иногда содержится до 100 кг / га этого элемента. Большое количество фосфора (106 - 107т) удерживается в веществе биосферы. Содержание данного элемента в фитомассе природных (естественных) луговых степей достигает 30 кг / га. Для диких травоядных млекопитающих такой уровень фосфора в кормовых растениях вполне достаточен.
Энергетический принцип изучения биотического круговорота веществ отражает фундаментальное положение о том, что энергия, в отличие от вещества, в цепи трофических (пищевых) превращений не исчезает, а переходит из одной формы в другую.

Энергия Солнца трансформируется в процессе биотического круговорота веществ на каждом его этапе и уровне. Непосредственно потребляют солнечную энергию только зеленые растения в процессе фотосинтеза. Они создают органическое вещество из диоксида углерода (СО2) и воды, как бы аккумулируя энергию.
В определенные экологически специфические периоды сбалансированность биотического круговорота веществ нарушалась: из него выводились излишки, которые депонировались (откладывались) в виде нефти, каменного угля, газа, известняков и других минералов органического происхождения. При сжигании каменного угля в топках или нефти в моторах освобождается и используется солнечная энергия, запасенная былыми биосферами сотни миллионов лет назад. Важно отметить, что эти депонированные в прошлом, выведенные из биотического круговорота излишки не засоряли биосферу и не оказывали вредного влияния на сам процесс.
Разнообразие животных чрезвычайно важно прежде всего для основного процесса - биотического круговорота веществ и энергии. Один вид не способен в любом биогеоценозе расщепить органическое вещество растений до конечных продуктов. Каждый вид использует лишь часть растений и некоторые содержащиеся в них органические вещества. Так складываются цепи и сети питания, последовательно извлекающие вещества и энергию из фотосинте-зирующих растений.

Таким образом, атмосфера в биоценозе играет огромную роль в поддержании биотического круговорота вещества и энергии и обеспечении водного баланса.

Схема биотического круговорота в экосистеме. Итак, получая беспрерывный поток солнечной энергии, растения создают первичную продукцию из неорганической материи. В дальнейших звеньях биотического круговорота веществ происходит лишь расходование этого запаса с трансформацией и потерей энергии. Консументы, редуценты потребляют живое вещество первичной продукции. Животные, сами создавая новое живое вещество, расходуют для этого в десятки раз больше живого вещества предыдущего трофического уровня, тем самым уменьшая и общие запасы потока энергии.

Фотосинтез

Фотосинтез – процесс, в ходе которого растения используют энергию солнечных лучей для получения пищи из воды и углекислого газа. Такие растения называются автотрофными. Те же растения, у которых процесс фотосинтеза не происходит, питаются живыми существами (росянки, венерины мухоловки, непентисы, и т.д.).

Фотосинтез происходит в основном в листьях растений. Углекислый газ из воздуха проникает через поверхность листа, а вода втягивается корнями из почвы. При помощи энергии, полученной листьями из солнечного света, углекислый газ и вода вступают во взаимодействие. В результате вырабатываются углеводы (пища растений) и кислород. Процесс фотосинтеза может быть выражен в следующем словесном уравнении:

Углекислый газ + Вода + Энергия (солнечная) à Углеводы + Кислород

Круговорот углерода

Круговорот азота

Круговорот кислорода