Потоки энергии и вещества в экосистемах. Обмен веществом и энергией в природе

Любая жизнь требует постоянного притока энергии и вещества. Энергия расходуется на осуществление основных жизненных реакций, вещество идет на построение тел организмов. Существование природных экосистем сопровождается сложными процессами вещественно-энергетического обмена между живой и неживой природой. Процессы зависят не только от состава биотических веществ, но и от физической среды.

Потоки энергии и вещества рассматриваются в экологии как передача энергии и вещества извне к автотрофам и далее по цепям питания от организмов одного трофического уровня к следующему.

Поток энергии в сообществе ― это переход энергии от организмов одного уровня к другому в форме химических связей органических соединений.

Поток вещества ― перемещение вещества в форме химических элементов и их соединений от продуцентов к редуцентам и далее через химические реакции, происходящие без участия живых организмов, вновь к продуцентам.

Поток вещества происходит по замкнутому циклу, поэтому его и называют круговоротом.

Поток вещества и поток энергии ― не тождественные понятия, хотя нередко для измерения потока вещества используются различные энергетические эквиваленты (калории, килокалории, джоули).

Принципиальное различие между потоками вещества и энергии в экосистеме заключается в том, что биогенные элементы (азот, углерод, фосфор и т.д.), составляющие органическое вещество, могут многократно участвовать в круговороте веществ, тогда как поток энергии однонаправлен и необратим.

Существование всех экосистем зависит от постоянного притока энергии, которая необходима всем организмам для поддержания их жизнедеятельности и самовоспроизведения.

Основным каналом переноса энергии в сообществе является пищевая цепь. По мере удаления от первичного продуцента поток энергии резко ослабевает ― количество энергии уменьшается.

Задание

Пользуясь правилом 10 %, рассчитайте долю энергии, поступающей на 4-й трофический уровень, при условии, что ее общее количество на первом уровне составляло 100 единиц.

Круговорот веществ и превращения энергии — необходимое условие существования любой экосистемы. Перенос веществ и энергии в цепях питания в экосистеме.

Экосистема может обеспечить круговорот вещества только в том случае, если включает необходимые для этого четыре составные части: запасы биогенных элементов, продуценты, консументы и редуценты

Рис. 1. Необходимые компоненты экосистемы

Эта структура составлена несколькими группами организмов, каждая из которых выполняет определенную работу в круговороте веществ. Организмы, относящиеся к одному такому звену, образуют трофический уровень, а последовательные связи между трофическими уровнями образуют цепи питания, или трофические цепи. В экосистему входят организмы, различаемые по способу питания - автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы (самопитающие) - организмы, образующие органическое вещество своего тела из неорганических веществ - в основном из углекислого газа и воды - посредством процессов фотосинтеза и хемосинтеза. Фотосинтез осуществляют фотоавтотрофы - все хлорофиллоносные (зеленые) растения и микроорганизмы. Хемосинтез наблюдается у некоторых почвенных и водных бактерий, которые используют в качестве источника энергии не солнечный свет, а ферментативное окисление ряда веществ - водорода, серы, сероводорода, аммиака, железа.

Гетеротрофы (питающиеся другими) - организмы, потребляющие готовое органическое вещество других организмов и продуктов их жизнедеятельности. Это все животные, грибы и большая часть бактерий.

В отличие от автотрофов-продуцентов гетеротрофы выступают как потребители и деструкторы (разрушители) органических веществ. В зависимости от источников питания и участия в деструкции они подразделяются на консументов и редуцентов.

Консументы - потребители органического вещества организмов. К ним относятся:

· консументы I порядка - растительноядные животные (фитофаги), питающиеся живыми растениями (тля, кузнечик, гусь, овца, олень, слон);

· консументы II порядка - плотоядные животные (зоофаги), поедающие других животных, - различные хищники (хищные насекомые, насекомоядные и хищные птицы, хищные рептилии и звери), нападающие не только на фитофагов, но и других хищников. Существует немало животных со смешанным питанием, потребляющих и растительную и животную пищу - плотоядно-растительноядные и всеядные. Консументы I и II порядка занимают соответственно второй, третий, а иногда и следующий трофические уровни в экосистеме.

Редуценты - бактерии и низшие грибы - завершают деструктивную работу консументов и сапрофагов, доводя разложение органики до ее полной минерализации и возвращая в среду экосистемы молекулярный азот, минеральные элементы и последние порции двуокиси углерода.

Устойчивость экосистем. Зависимость устойчивости экосистем от числа обитающих в них видов и длины цепей питания: чем больше видов, цепей питания, тем устойчивее экосистема от круговорота веществ.

Искусственная экосистема — созданная в результате деятельности человека. Примеры искусственных экосистем: парк, поле, сад, огород.

Отличия искусственной экосистемы от естественной:

— небольшое число видов (например, пшеница и некоторые виды сорных растений на пшеничном поле и связанные с ними животные);

— преобладание организмов одного или нескольких видов (пшеница в поле);

— короткие цепи питания из-за небольшого числа видов;

— незамкнутый круговорот веществ вследствие значительного выноса органических веществ и изъятия их из круговорота в виде урожая;

— невысокая устойчивость и неспособность к самостоятельному существованию без поддержки человека.