Лекция 3. ЭНЕРГЕТИКА ЭКОСИСТЕМ. ПОТОК ЭНЕРГИИ В ЭКОСИСТЕМАХ.

 

Лекция 3.

ЭНЕРГЕТИКА ЭКОСИСТЕМ. ПОТОК ЭНЕРГИИ В ЭКОСИСТЕМАХ.

 

Энергия - способность производить работу или теплообмен между двумя объектами, обладающими разной температурой. Энергия – основа «работы» любой экосистемы, в которой происходят синтез и многократные преобразования веществ.

Основным источником энергии является Солнце. Энергия Солнца распространяется в космическом пространстве в виде электромагнитных волн, и небольшая часть ее достигает Земли. Любое природное явление, происходящее на Земле, прямо или косвенно имеет своим первоисточником Солнце. Солнечная постоянная – это среднее количество энергии, приходящей от Солнца во всех диапазонах электромагнитных волн за 1 с на территорию площадью 1 м² (сориентированную на Солнце). Электромагнитное излучение Солнца содержит широкий спектр волн разной длины и включает ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное и радиоволновое излучение.

Общий баланс солнечной энергии на Земле таков:

Приход -  100%

Расход: 

прямо превращается в тепло - 46%

отражается 30%

затрачивается на испарение - 23%

затрачивается на фотосинтез - 0,8%

затрачивается на образование волн, течений, ветра и т. п. - 0,2%

Вся жизнь на Земле существует за счет солнечной энергии. Свет - единственный на Земле пищевой ресурс, энергия которого, в соединении с углекислым газом и водой, рождает процесс фотосинтеза. Фотосинтезирующие растения создают органическое вещество, которым питаются травоядные животные, ими питаются плотоядные и т. д., в конечном итоге, растения «кормят» весь остальной живой мир, т. е. солнечная энергия через растения как бы передается всем организмам.

Энергия передается от организма к организму, создающих пищевую, или трофическую цепь: от автотрофов, продуцентов к гетеротрофам, консументам и так четыре - шесть раз с одного трофического уровня на другой.

Трофический уровень - это место каждого звена в пищевой цепи. Первый трофический уровень - это продуценты, все остальные - консументы. Второй трофический уровень - это растительноядные консументы; третий - плотоядные консументы, питающиеся растительноядными формами; четвертый - консументы, потребляющие других плотоядных и т. д. Следовательно, можно и консументов разделить по уровням: консументы первого, второго, третьего и т. д. порядков

Трофическая (пищевая) цепь – это путь однонаправленного потока солнечной энергии, поглощенной в процессе фотосинтеза, через живые организмы экосистемы в окружающую среду, где неиспользованная ее часть рассеивается в виде низкотемпературной тепловой энергии.

Различают два типа пищевых цепей: пастбищные (автотрофные), в которых в качестве первого звена выступают растения (трава – корова – человек; трава – заяц – лисица; фитопланктон – зоопланктон – окунь – щука и др.), и детритные (гетеротрофные), в которых первое звено представлено мертвым органическим веществом, служащим пищей детритофагам (опавший лист – дождевой червь – скворец – сокол). Количество звеньев в пищевых цепях может быть от одного–двух до пяти–шести. Пищевые цепи в водных экосистемах, как правило, более длинные, чем в наземных.

Поскольку большинство организмов могут использовать в пищу организмы разных видов, то в реальных экосистемах функционируют не пищевые цепи, а пищевые сети. К примеру, тли поедаются личинками и жуками божьих коровок, пауками, личинками мух-сирфид и даже насекомоядными птицами. Дуб является пищей для сотен членистоногих, нематод, паразитических грибов и т.д. Его желудями питаются птицы и мелкие млекопитающие. Хищники могут от преследования особей одной популяции при ее истощении переключаться на поедание организмов из популяций других видов. Так, исследования энтомологов показали, что число специализированных фитофагов (причем не только в умеренной полосе, но и в тропических лесах) сравнительно невелико и преобладают насекомые с широкой диетой. Это не исключает наличия некоторого количества монофагов, специализированных на поедании лишь отдельные органов (завязей, плодов, листьев и др.) растений одного вида. Формирование пищевых сетей – один из важных факторов повышения устойчивости экосистем.

Эффективность передачи энергии по пищевой цепи зависит от двух показателей:

1) полноты выедания (доли организмов предшествующего трофического уровня, которые были съедены живыми);

2) эффективности усвоения энергии (удельной доли энергии, которая перешла на следующий трофический уровень в пересчете на каждую единицу съеденной биомассы).

Полнота выедания и эффективность усвоения энергии воз[1]растают с повышением трофического уровня и меняются в зависимости от типа экосистемы. Так, в лесной экосистеме фитофаги потребляют менее 10% продукции растений (остальное достается детритофагам), а в степи – до 30%. В водных экосистемах выедание фитопланктона растительноядным зоопланктоном еще выше – до 40%. Этим объясняются основные краски Земли на космических снимках: леса зеленые именно потому, что фитофаги съедают мало фитомассы, а океан голубой, оттого что фитофаги выедают достаточно много фитопланктона.

С повышением трофического уровня полнота выедания еще более возрастает, хищники высших порядков выедают до 90% своих жертв, поэтому доля животных, которым удается дожить до естественной смерти, очень невелика. В водных экосистемах, к примеру, в детрит переходит 100% биомассы хищных рыб (их есть некому, и плотность популяции контролируют только пара[1]зиты), но лишь 1/4 часть биомассы планктоноядных рыб, которые умерли «своей смертью». Этот детрит опускается на дно. Часть его поедается детритофагами бенотоса, а остальная – попадает в донные осадки (сапропель). Доля детрита, поступающего в осадки, тем больше, чем выше продуктивность водной экосистемы.

Графическим изображением продуктивности различных трофических уровней являются экологические пирамиды.

Различают следующие виды экологических пирамид:

– пирамиды чисел (численностей) – отображение числа особей на каждом трофическом уровне;

– пирамиды биомасс – отображение величины биомассы живых организмов на каждом трофическом уровне;

– пирамиды энергии – отображение количества энергии, запасенной на каждом трофическом уровне.

 

Литература:

Миркин Б. М., Наумова Л. Г.  Краткий курс общей экологии. Часть II: Экология экосистем и биосферы: Учебник. – Уфа: Изд-во БГПУ, 2011. – 180 с.

Третьякова, Н.А. Основы общей и прикладной экологии : учеб. пособие, Екатеринбург: Изд‑во Урал. ун‑та, 2015. - 112 с