Потоки энергии в экосистемах

 

Пищевые цепи и пищевая сеть. В функционирующей природной экоси­стеме не существует отходов. Все организмы, живые или мертвые, по­тенциально являются пищей для других организмов: гусеница ест листву, дрозд питается гусеницами, ястреб способен съесть дрозда. Когда растения, гусеница, дрозд и ястреб погибают, они в свою очередь перера­батываются редуцентами.

Последовательность организмов, в которой каждый из них съедает или разлагает другой, называется пищевой цепью (рисунок 4-11). Пище­вые цепи — это путь однонаправ­ленного потока крохотной части вы­сокоэффективной солнечной энер­гии, поглощенной в процессе фото­синтеза, через живые организмы экосистемы в окружающую среду в виде низкоэффективной тепловой энергии. Пищевые цепи — это так­же движение питательных веществ от продуцентов, консументов (траво­ядных, плотоядных, всеядных) к редуцентам и обратно к продуцентам.

 

Первый трофический уровень

Второй трофический уровень

Третий трофический уровень

Четвертый трофический уровень

 

 

Пищевая цепь. Стрелками обозначены потоки сосредоточенной в пище химической энергии через различные трофические уровни. Большая часть высококачественной химической энергии переходит в рассеянное тепло в соответствии со вторым началом термодинамики

Рисунок 4-11

 

Все организмы, пользующиеся одним типом пищи, принадлежат к одному трофическому уровню (от греческого слова tr орhоs — «питаю­щиеся»). Как показано на рисунке 4-11, все продуценты относятся к первому трофическому уровню, все первичные консументы, питающиеся продуцентами, — ко второму трофи­ческому уровню и т.д.

Концепция пищевых цепей помо­гает проследить круговорот химических элементов и потоки энергии в экосистеме, хотя простые пищевые цепи, подобные тем, что изображены на рисунке 4-11, редко существуют в природе. Лишь небольшое число фи­тофагов, или консументов 1-го по­рядка питаются одним видом расте­ний, либо поедаются одним типом хищников или консументов 2-го по­рядка. Кроме того, паразиты ис­пользуют в качестве пищи несколько различных видов растений и живо­тных из разных трофических уровней.

Это означает, что организмы при­родных экосистем вовлечены в сложную сеть многих связанных между собой пищевых цепей. Такая сеть называется пищевой сетью. Уп­рощенную диаграмму пищевой сети наземной экосистемы Вы можете най­ти на рисунке 4-12, показывающем, что трофические уровни могут быть определены как в пищевых сетях, так и в пищевых цепях.

 

	Горные львы
		Консументы 3-го порядка (плотоядные)     Коксументы 2-го порядкаплотоядные

 

 

Сильно упрощенная схема пищевой сети наземной эксосистемы

Рисунок 4-12

 

Движение энергии в экосистемах происходит посредством двух свя­занных типов пищевых сетей: паст­бищной и детритной (рисунок 4-13). В пастбищной пищевой сети живые растения поедаются фитофагами, а сами фитофаги являются пищей для хищников и паразитов. Вдетритной пищевой сети отходы жизнедеятель­ности и мертвые организмы разлага­ются детритофагами и деструктора­ми до простых неорганических сое­динений, которые вновь ис­пользуются растениями.

 

 

 

Обобщенная схема основных звеньев однонаправленного потока энергии в экосистемах через пастбищные и детритные пищевые сети

Рисунок 4.13

 

Пирамиды энергетических пото­ков. С каждым переходом из одного трофического уровня в другой в пределах пищевой цепи или сети совершается работа и в окружающую среду выделяется тепловая энергия, а количество энергии высокого каче­ства, используемой организмами следующего трофического уровня, снижается. Такое сокращение ис­пользуемой энергии высокого каче­ства на каждом последующем трофи­ческом уровне является результатом второго начала термодинамики.

Процентное содержание энергии высокого качества, переходящей из одного трофического уровня в другой, колеблется от 2 до 30% в за­висимости от вовлекаемых типов живых организмов и от экосистемы, в которой происходит трансформа­ция энергии. Экологи подсчитали, что в дикой природе в среднем око­ло 10% доступной высококачествен­ной химической энергии одного тро­фического уровня трансформируется в доступную химическую энергию в организмах следующего уровня. Оставшаяся энергия используется для поддержания жизнедеятельности ор­ганизмов, но большая ее часть теря­ется в окружающей природе как теп­ловая энергия низкого качества в со­ответствии со вторым началом термо­динамики. Незначительный процент энергии используется редуцентами для их жизнедеятельности, а остаток переходит в форму рассеиваемого тепла.

Рисунок 4-14 иллюстрирует поте­ри полезной высококачественной энергии на каждой ступени простой пищевой цепи. Пирамиды энергети­ческих потоков и расходов энергии на этой диаграмме свидетельствуют о том, что чем длиннее пищевая цепь или сеть, тем больше теряется полезной высококачественной энер­гии.

 

 

Пирамида потока полезной высококачественной энергии

Пирамида потерь низкокачественной энергии

 

Обобщенные пирамиды энергетических потоков и расходов энергии, показывающие уменьшение количества доступной высококачественной энергии на каждом последующем трофическом уровне пищевой цепи или сети

Рисунок 4-14

 

На рисунке 4-15 отражен фак­тический годовой поток энергии че­рез экосистему.

 

 

Р

 

 

 

Упрощенная схема среднегодового потока энергии (в килокалориях на квадратный метр в год) для водной экосистемы в городе Сильвер-Спрингс, штат Флорида. (Адаптировано с разрешения авторов из книги: Ctcie Starr and Ralph Taggart, Biology: The Unity and Diversity of Life, Sth ed., Belmont, Calif.: Wadsworth, 1989)   Рисунок 4-15

 

 

Пирамида энергетических пото­ков объясняет, почему можно про­кормить большее число людей, если сократить пищевую цепь до прямого потребления зерновых (например, рис — человек), чем если в качестве пищи использовать животных, по­требляющих зерно (зерно — говяди­на — человек). Чтобы избежать бел­кового (протеинового) недоедания, вегетарианское питание должно со­стоять из разнообразных растений, имеющих в своем составе молекулы 10 азотсодержащих аминокислот, ис­пользуемых для создания протеина, который наш организм не в состоя­нии сам синтезировать. Бедная часть населения, довольствующаяся расти­тельной диетой, часто не имеет средств для выращивания или покупки всех овощей и фруктов, не­обходимых для избежания протеино­вого недоедания.

Пирамиды численностей и био­масс. Мы можем собрать все образ­цы организмов в экосистеме и под­считать численность всех видов, об­наруженных на каждом трофиче­ском уровне. Такая информация необходима для создания пирами­ды численностей для экосистем. Например, миллион осо­бей фитопланктона в небольшом пруду может прокормить 10 000 осо­бей зоопланктона, которые в свою очередь прокормят сто окуней, кото­рых будет достаточно, чтобы про­кормиться одному человеку в тече­ние месяца.

Пирамида численностей для луга и многих других экосистем сужается при продвижении от уровня продуцентов к более высоким тро­фическим уровням. Но для некоторых экосистем пирамиды численностей имеют другую форму. Например, в лесу небольшое количество больших де­ревьев, таких, как секвойя вечнозе­леная (продуцент), снабжает пищей огромное количество небольших по размеру насекомых-фитофагов и птиц-консументов 1-го порядка.

Сухой вес всех органических ве­ществ, содержащихся в организмах экосистемы, называется биомассой. Каждый трофический уровень пище­вой цепи или сети содержит опреде-ле1 (нос количество биомассы. Ее мож­но вычислить, если собрать все живые организмы с различных произвольно выбранных участков. Собранные эк­земпляры необходимо рассортировать по трофическим уровням, высушить и взвесить. Полученные данные в даль­нейшем используются для построения пирамиды биомасс для определенной экосистемы.

Для большинства наземных экоси­стем суммарная биомасса каждого по­следующего трофического уровня пи­щевой цепи или сети уменьшается. Это создает пирамиду биомасс, где существенно преобладают продуценты, а над ними располагаются серии постепенно уменьшающихся трофиче­ских уровней консументов.

В водных экосистемах пирамида может выглядеть перевернутой, с би­омассой консументов, преобладаю­щей над биомассой продуцентов. Здесь продуцентом яв­ляется микроскопический фитоплан­ктон, быстро растущий и размножаю­щийся, а не большие растения, кото­рые растут медленно.

Чистая первичная продуктив­ность растений. Скорость, с которой растения экосистемы производят по­лезную химическую энергию или био­массу, называется чистой первичной продуктивностью. Она равняется скорости накопления химической энергии в биомассе в процессе фото­синтеза, за вычетом скорости, с кото­рой растения используют некоторую часть этой энергии для аэробного кле­точного дыхания, необходимого для их жизнедеятельности, роста и раз­множения.

Чистая первичная продуктивность –

скорость, с ко­торой растения производят хи­мическую энер­гию в процессе фотосинтеза

-

скорость, с которой растения расходуют химическую энергию в процессе дыхания

Чистая первичная продуктивность обычно рассчитывается как количест­во энергии, созданной растениями на единице площади за единицу време­ни. Принятыми единицами измере­ния являются килокалории или килоджоули на квадратный метр террито­рии в год.

Чистая первичная продуктивность может считаться главным источником питания для животных. Мы можем использовать эту величину для оцен­ки потенциала создания растительно­го материала, необходимого в качест­ве пищи для животных и человека. Экологами было подсчитано значение средне годовой чистой первичной продуктивности для основных назем­ных и морских экосистем. Экосистема­ми с наибольшим значением чистой первичной продуктивности являются эстуарии, болота и марши, влажные тропические леса; с наименьшим зна­чением — тундра (арктические луга), открытый океан и пустыни.

Если Вы сделаете вывод, что мы должны вырубить тропические леса и выращивать на их месте урожаи, а так­же что нужно использовать под сель­скохозяйственные культуры эстуа­рии, болота и марши, чтобы прокор­мить растущее население, такой вывод будет ошибочным. Дело в том, что рас­тения (в основном травы), произра­стающие в эстуариях, на болотах и маршах, хотя и не пригодны в качестве пищи для человека, однако крайне важны как источники корма и места размножения для рыб, креветок и других водных животных, снабжаю­щих нас белком. Поэтому мы должны не уничтожать, а охранять такие рас­тения.

В тропических лесах большинство питательных веществ накапливается не в почве, а в древесине, листьях и другой растительной массе. Если де­ревья вырубить, то высаженные на их месте сельскохозяйственые культуры и частые дожди быстро истощат незна­чительные запасы питательных ве­ществ в оголенной почве. Поэтому без внесения большого количества дорого­стоящих удобрений продовольствен­ные культуры можно выращивать здесь лишь в течение непродолжитель­ного времени.

Поскольку общая пло­щадь эстуариев невелика, они зани­мают одно из последних мест в дан­ном перечне. С другой стороны, око­ло 71% поверхности планеты прихо­дится на Мировой океан, поэтому от­крытые океанические экосистемы сто­ят во главе списка.

Подобное распределение может ввести Вас в заблуждение. Сумма чистой первичной продукции по все­му миру высока у океанов лишь из-за того, что они занимают столь зна­чительную площадь, однако это вов­се не означает, что их средняя продуктивность с 1 м² площади за 1 год тоже высока. Кроме того, до­быча океанических водорослей и трав, очень широко рассеянных по площади (то есть характе­ризующихся высокой энтропией), требует огромных затрат энергии — гораздо больших, чем количество химической энергии, находящейся в этих продуктах питания.

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: