Цикъл на материя и енергиен поток в екосистемите (страница 1 от 2)

Храненето е основният начин на движение на вещества и енергия.

Организмите в една екосистема са свързани от общото количество енергия и хранителни вещества, които са необходими за поддържане на живота. Основният източник на енергия за по-голямата част от живите организми на Земята е Слънцето. Фотосинтетичните организми (зелени растения, цианобактерии, някои бактерии) директно използват енергията на слънчевата светлина. В същото време от въглеродния диоксид и водата се образуват сложни органични вещества, в които част от слънчевата енергия се натрупва под формата на химическа енергия. Органичните вещества служат като източник на енергия не само за самото растение, но и за други организми в екосистемата. Енергията, съдържаща се в храната, се отделя по време на процеса на дишане. Респираторните продукти - въглероден диоксид, вода и неорганични вещества - могат да бъдат използвани повторно от зелените растения. В резултат на това веществата в тази екосистема правят безкраен цикъл. В същото време енергията, съдържаща се в храната, не прави цикъл, а постепенно се превръща в топлинна енергия и напуска екосистемата. Следователно необходимо условие за съществуването на екосистема е постоянен поток на енергия отвън (Фигура 14.5).

Фигура: 14.5. Сулмарен енергиен поток (тъмни стрелки) и кръговрат на веществата (светли стрелки) в екосистемата.

По този начин основата на екосистемата са автотрофни организми - производители (производители, създатели), които в процеса на фотосинтеза създават богата на енергия храна - първичната органична материя. В сухоземните екосистеми най-важната роля принадлежи на висшите растения, които, образувайки органични вещества, пораждат всички трофични връзки в екосистемата, служат като субстрат за много животни, гъбички и микроорганизми и активно влияят върху микроклимата на биотопа . Във водните екосистеми водораслите са основните производители на първична органична материя.

Готовите органични вещества се използват за получаване и натрупване на енергия на хетеротрофи или потребители (потребители). Хетеротрофите включват тревопасни животни (консуматори от 1-ви ред), месоядни животни, живеещи от растителноядни форми (консуматори от 2-ри ред), консумиращи други месоядни животни (консуматори от 3-ти ред) и др.

Специална група потребители се състои от редуктори (разрушители или] деструктори), разграждащи органични остатъци от производители и потребители до прости неорганични съединения, които след това се използват от производителите. Редукторите включват предимно микроорганизми - бактерии и гъбички. В сухоземните екосистеми особено важни са почвените декомпозитори, които включват обща циркулация на органичните вещества на мъртвите растения (те консумират до 90% от първичната горска продукция). По този начин всеки жив организъм в една екосистема заема определена екологична ниша (място) в сложна система от екологични взаимоотношения с други организми и абиотични условия на околната среда.

Хранителни вериги (мрежи) и трофични нива. Основата на всяка екосистема, нейната основа са хранителните (трофични) и придружаващите ги енергийни връзки. Те непрекъснато пренасят вещество и енергия, които се съдържат в храната, създадена главно от растенията.

Прехвърлянето на потенциалната енергия на храната, създадена от растенията, чрез редица организми чрез ядене на някои видове от други се нарича хранителна верига или хранителна верига и всяко от нейните звена е трофично ниво (фиг. 14.6).

Фигура: 14.6. Африканска хранителна верига за савана.

Първото трофично ниво се формира от производители (растения), второ - от първични консуматори (тревопасни животни), третото - от вторични консуматори (месоядни и паразити). Тъй като всеки организъм има няколко източника на храна и сам е обект на храна за други организми от една и съща хранителна верига или дори от различни такива (всеядни организми, например човек, мечка, врабче, консумират както производители, така и потребители, т.е. те живеят на различни трофични нива), хранителните вериги многократно се разклоняват и преплитат в сложни хранителни мрежи (фиг. 14.7).

Фигура: 14.7. Електрически мрежи в екологичната система.

Има два основни типа хранителни мрежи - паша (вериги за паша или консумация) и вериги за отпадъци (разлагане). Пасищните вериги започват с производители: детелина -> заек -> вълк; фитопланктон (водорасли) -> зоопланктон (протозои) -> плотва -> щука -> скопа.

Детритните вериги започват от растителни и животински остатъци, животински екскременти - детрит; отидете при микроорганизмите, които се хранят с тях, а след това при малките животни (детритофаги) и при техните консуматори - хищници. Детритните вериги са най-често срещани в горите, където по-голямата част (над 90%) от годишното увеличение на растителната биомаса не се консумира директно от растителноядни животни, а отмира, претърпявайки разлагане (сапротрофни организми) и минерализация. Типичен пример за вредни хранителни връзки в нашите гори е следният: отпадъци от листа -> земни червеи -> косове -> врабче. В допълнение към земните червеи, хранилките за детрит са мокрици, ракети, пружини, нематоди и др.

Екологични пирамиди. Хранителните мрежи във всяка биогеоценоза имат добре дефинирана структура. Характеризира се с броя, размера и общата маса на организмите - биомаса - на всяко ниво от хранителната верига. Пасищните хранителни вериги се характеризират с увеличаване на плътността на популацията, скоростта на възпроизводство и производителността на техните биомаси. Намаляването на биомасата по време на прехода от едно ниво на храна към друго се дължи на факта, че не цялата храна се усвоява от потребителите. Така например, при гъсеница, хранеща се с листа, само половината от растителния материал се абсорбира в червата, останалата част се екскретира под формата на екскременти. Освен това по-голямата част от хранителните вещества, абсорбирани от червата, се консумират за дишане и в крайна сметка само 10-15% се използват за изграждане на нови клетки и тъкани на гъсеница. Поради тази причина производството на организми на всяко следващо трофично ниво винаги е по-малко (средно 10 пъти) от производството на предишното, т.е.масата на всяко следващо звено в хранителната верига постепенно намалява. Този модел се нарича правило на екологичната пирамида (Фигура 14.8).

Ориз, 14.8. Опростена екологична пирамида.

Има три начина за съставяне на екологични пирамиди:

1. Пирамидата на числата отразява численото съотношение на индивиди от различни трофични нива на екосистемата. Ако организмите в рамките на едни и същи или различни трофични нива се различават значително по размер, тогава пирамидата на числата дава изкривени представи за истинските съотношения на трофичните нива. Например в общността на планктона броят на производителите е десетки и стотици пъти по-голям от броя на потребителите, а в гората стотици хиляди потребители могат да се хранят с органите на едно дърво - производителят.

2. Пирамидата на биомасата показва количеството жива материя или биомаса на всяко трофично ниво. В повечето сухоземни екосистеми биомасата на производителите, тоест общата маса на растенията е най-голяма, а биомасата на организмите от всяко следващо трофично ниво е по-малка от предишната. В някои общности обаче биомасата на потребителите от първи ред е по-висока от биомасата на производителите. Например в океаните, където основните производители са едноклетъчни водорасли с висока степен на възпроизводство, годишното им производство може да бъде десетки и дори стотици пъти по-високо от резерва на биомаса. В същото време всички продукти, образувани от водорасли, са толкова бързо включени в хранителната верига, че натрупването на биомаса от водорасли е малко, но поради високите нива на възпроизводство, малко количество от тях е достатъчно, за да се поддържа скоростта на регенерация на органични вещества. В тази връзка в океана пирамидата на биомасата има обратна връзка, т.е. „обърната“. На най-високите трофични нива преобладава тенденцията към натрупване на биомаса, тъй като продължителността на живота на хищниците е дълга, скоростта на оборота на техните поколения, напротив, е ниска и значителна част от веществото, постъпващо в хранителните вериги, е задържани в тялото им.

3. Енергийната пирамида отразява количеството енергиен поток в хранителната верига. Формата на тази пирамида не се влияе от размера на индивидите и тя винаги ще има триъгълна форма с широка основа в дъното, както е продиктувано от втория закон на термодинамиката. Следователно енергийната пирамида дава най-пълната и точна представа за функционалната организация на общността, за всички метаболитни процеси в екосистемата. Ако пирамидите на числата и биомасите отразяват статиката на екосистемата (броя и биомасата на организмите в даден момент), тогава енергийната пирамида е динамиката на преминаването на масата на храната през хранителната верига. По този начин основата в пирамидите на числата и биомасите може да бъде по-голяма или по-малка от следващите трофични нива (в зависимост от съотношението на производители и потребители в различни екосистеми). Енергийната пирамида винаги се стеснява нагоре. Това се дължи на факта, че енергията, изразходвана за дишане, не се прехвърля на следващото трофично ниво и напуска екосистемата. Следователно всяко следващо ниво винаги ще бъде по-малко от предишното. В сухоземните екосистеми намаляването на количеството налична енергия обикновено се придружава от намаляване на броя и биомасата на индивидите на всяко трофично ниво. Поради толкова големи загуби на енергия за изграждането на нови тъкани и дишането на организмите, хранителните вериги не могат да бъдат дълги; те обикновено се състоят от 3-5 връзки (трофични нива).

Познаването на законите на производителността на екосистемите, способността за количествено определяне на енергийния поток са от голямо практическо значение, тъй като продуктите на природните и изкуствените общности (агроиенозите) са основният източник на хранителни запаси за човечеството. Точните изчисления на енергийния поток и мащаба на производителността на екосистемите правят възможно регулирането на цикъла на веществата в тях по такъв начин, че да се постигне най-висок добив на продукти, необходими на хората.