Консументы, редуценты. Пищевые цепи и трофические уровни. Трофическая структура и экологические пирамиды. Продуктивность суши и морей

Совокупность организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания носит название трофического уровня. К одному трофическому уровню принадлежат организмы, получающие свою энергию через одинаковое число ступеней. Так, зеленые растения занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), они получают энергию от Солнца и запасают ее в виде энергии химических связей; травоядные животные – второй (уровень первичных консументов); первичные хищники, поедающие травоядных, - третий и т.д.

Консументы – потребители органического вещества.

Редуценты – гетеротрофные организмы, главным образом, бактерии и грибы, превращающие органические вещества в неорганические соединения.

Организмы этих трофических уровней получают энергию от организмов предыдущих трофических уровней, запасенную в молекулах пищи. Трофических уровней может быть и больше, когда учитываются паразиты, живущие на консументах предыдущих уровней. Последовательность организмов, в которой каждый из них съедает или разлагает другой, называется пищевой цепью.

В результате последовательных превращений энергии в пищевых цепях каждое сообщество живых организмов в экосистеме приобретает определенную трофическую структуру. Трофическая структура сообщества отражает соотношение между продуцентами, консументами (отдельно каждых порядков) и редуцентами ( микроорганизмами-разлагателями отмирающих организмов и продуктов их жизнедеятельности ), выраженное количеством особей живых организмов, или их биомассой, или заключенной в них энергией, на единицу площади в единицу времени.

Трофическую структуру обычно изображают в виде экологических пирамид. Основанием пирамиды служит первый трофический уровень – уровень продуцентов, а следующие этажи пирамиды образованы последующими уровнями консументов различных порядков. Высота всех блоков одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне. Различают три способа построения экологических пирамид.

Пирамида численностей отражает количество организмов на каждом уровне. Например, чтобы прокормить одного волка, необходимо несколько зайцев, на которых он мог бы охотиться; а чтобы прокормить этих зайцев, нужно довольно большое количество разнообразных растений.

Пирамида биомасс показывает соотношение масс организмов на разных трофических уровнях. Обычно в наземных биоценозах общая масса продуцентов больше, чем каждого последующего звена. В свою очередь, общая масса консументов первого порядка больше, чем консументов второго порядка и т.д.

В водных экосистемах можно также получить обращенную, или перевернутую, пирамиду биомасс, когда биомасса продуцентов оказывается меньшей, чем консументов. Например, в океане при довольно высокой продуктивности фитопланктона общая масса в данный момент его может быть меньше, нежели у потребителей-консументов (киты, крупные рыбы, моллюски). Это связано с малым периодом жизни организмов фитопланктона.

Пирамиды чисел и биомасс характеризуют количество или биомассу организмов в определенный промежуток времени. Они не дают полной информации о трофической структуре экосистемы, хотя позволяют решать ряд практических задач, особенно связанных с сохранением устойчивости экосистем. Пирамида чисел позволяет, например, рассчитывать допустимую величину улова рыбы или отстрела животных в охотничий период без последствий для нормального их воспроизведения.

Пирамида энергии отражает скорость прохождения массы пищи через пищевую цепь. Установлено, что во многих пищевых цепях величина передаваемой энергии составляет всего лишь 1%, но в некоторых случаях максимальная величина энергии, передающей- ся на следующий трофический уровень, может достигать 30% от предыдущего.

Американский эколог Р. Линдеман сформулировал закон пирамиды энергий (правило 10%), согласно которому с одного трофического уровня экологической пирамиды через пищевые цепи на другой переходит в среднем 10% энергии, поступившей на предыдущий уровень. Растения при фотосинтезе усваивают порядка 1% энергии, поступающей от Солнца, а от образованной первичной продукции растений консументы-растительноядные используют около 10% и т.д. Остальная часть энергии теряется в виде теплового излучения и на поддержание жизнедеятельности организмов.

Вот почему цепи питания обычно не могут иметь более 5 – 6 звеньев. К конечному звену пищевой цепи будет поступать так мало энергии, что ее не хватит в случае увеличения числа организмов. Именно поэтому большие хищные животные всегда редки.

Продуктивность суши и моря. Первичная продуктивность экологической системы, сообщества или любой их части определяется как скорость, с которой лучистая энергия усваивается организмами-продуцентами (главным образом зелеными растениями) в процессе фотосинтеза и хемосинтеза, накапливаясь в форме органических веществ.

Валовая первичная продуктивность — это общая скорость фотосинтеза, включая те органические вещества, которые за время измерений были израсходованы на дыхание. Эту величину называют также «валовым фотосинтезом» или «общей ассимиляцией»

Чистая первичная продуктивность — скорость накопления органического вещества в растительных тканях за вычетом того органического вещества, которое использовалось при дыхании растений за изучаемый период. Эту величину называют также «наблюдаемым фотосинтезом» или «чистой ассимиляцией». На практике, чтобы оценить валовую продукцию, данные по дыханию складывают с данными, полученными при измерении «наблюдаемого» фотосинтеза.

Поскольку площадь океана примерно в 2,5 раза больше площади суши, разумно предположить, что морские экосистемы фиксируют больше суммарной солнечной энергии, чем наземные системы. На самом деле суша, видимо, дает больше продукции, чем море (возможно, даже в 2 раза).

Очень обширные пространства Земли попадают в категорию низкопродуктивных из-за таких ограничивающих факторов, как вода (в пустынях и граслендах) или биогенные элементы (в открытом океане). Плодородные от природы области, получающие естественные энергетические субсидии, встречаются главным образом в дельтах рек, эстуариях, прибрежных зонах апвеллинга и в районах, хорошо «перепаханных» ледником, а также на лессовых (перенесенных ветром) или вулканических почвах — там, где осадки достаточно обильны. На суше отмечается общая корреляция между величиной эвапотранспирации (и в меньшей степени количеством осадков) и продуктивностью, в озерах и океанах — обратная корреляция между глубиной и продуктивностью.

На отдельных особенно благоприятных участках экосистем каждого типа продукция может быть вдвое (а то и в несколько раз) выше средних величин. За верхний предел валовой продукции фотосинтеза для практических расчетов следует принять величину 50 000 ккал-м^-2-год^-1. Человеку придется подгонять свои нужды под этот предел, пока не удастся убедительно доказать, что усвоение солнечной энергии путем фотосинтеза можно сильно повысить, не подвергая при этом опасности равновесия других, более важных ресурсов жизненного круговорота. Годовая продукция большинства сельскохозяйственных культур невелика, поскольку однолетние зерновые продуктивны лишь на протяжении нескольких месяцев (менее полугода).

Получение двойных урожаев за счет выращивания таких культур, которые дают продукцию в течение всего года, может приблизить валовую продуктивность к уровню лучших природных сообществ.

18. Моделирование сетей питания и экосистемы «хищник-жертва». Региональные и глобальные модели биосферных процессов

19. Круговорот углерода. Диоксид углерода и «парниковый эффект». Прогнозы изменения климата и возможные последствия. Киотский протокол по ограничению выбросов парниковых газов в атмосферу

Круговорот углерода, является самым интенсивным из всех важных биогеохимических циклов. Время круговорота углерода в биосфере составляет примерно 30 лет.

Содержание углерода в атмосфере Земли по массе составляет 0,046% в форме диоксида углерода и 1,0∙10-4% в форме метана. Эти соединения в соответствии с Киотским протоколом являются первым и вторым по значимости парниковыми газами. При этом диоксид углерода относится к малым радиационно-активным составляющим атмосферы, формирующим за счет парникового эффекта ее температурный режим.

Биосферный цикл углерода связан с кислородным циклом и разделяется на два круговорота – наземный и морской. В земной коре содержится 0,35% углерода, а в живом веществе около 18%. С углеродом связан процесс возникновения и развития биосферы, он обусловливает разнообразие и сложность строения веществ, так как этот элемент способен соединяться с большинством из элементов самыми разнообразными способами. Через поверхность океана оба круговорота объединяются благодаря растворимости диоксида углерода в воде. Диоксид углерода и углекислота, находящиеся в атмосфере или в растворенном состоянии в воде, служат сырьем для фотосинтеза растений и переработки углерода в органическое вещество живых существ. Углерод в природе находится, в основном, в двух формах: диоксид углерода и карбонаты (CaCO3, BaCО3 и др.). И хотя содержание углерода в виде диоксида значительно меньше, чем в карбонатной форме, но CO2 является быстро мигрирующей формой, вовлеченной в процесс фотосинтеза и дыхания. За геологический период с момента появления жизни на Земле углерод атмосферы и гидросферы неоднократно прошел через живые организмы. В течение 3 – 5 лет растения потребляют столько углерода, сколько его содержится в атмосфере. Основная масса углерода биосферы аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана, торфа и гумуса. Именно этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте. Цикл оборота углерода в почвах охватывает 300 – 500 лет.

С начала промышленной революции изменение климата происходит резко ускоренными темпами, по порядку величины в 50 раз быстрее, чем движение к очередному ледниковому периоду.

Прогнозируется, что в основном средняя глобальная температура будет расти за счет накопления парниковых газов в атмосфере, в то время как большинство естественных факторов будут действовать в противоположном направлении, тем самым ослабляя антропогенное воздействие. Но даже по всем оптимистическим прогнозам ожидается дальнейшее потепление на 12C за текущий XXI в.

Парниковые газы – газы, поглощающие в атмосфере излучаемое Землей тепловое излучение. Антропогенный рост концентрации углекислого и некоторых других газов приводит к повышению температуры и изменению климата.

Накопление СО2 в атмосфере ученые в настоящий момент связывают с «парниковым эффектом», т.е. с постоянным повышением температуры на земной поверхности. Это приводит к нарушению энергобаланса Земли, повышению температуры вблизи ее поверхности. Многие климатологи рассматривают длительную жару в последние годы как последствия парникового эффекта. Хотя задерживание тепла вблизи поверхности Земли является очень важным процессом для поддержания жизни на планете, перспективы быстрого повышения температуры (глобальное потепление) очень опасны, так как приведут к росту уровня Мирового океана за счет таяния ледников и целому ряду других нежелательных для человеческой цивилизации эффектов.

Киотский протокол закрепил количественные обязательства развитых стран и стран с переходной экономикой, включая Россию, по ограничению и снижению поступления парниковых газов в атмосферу.

Согласно Киотскому протоколу подписавшие его страны берут на себя обязательства к 2008 2012 гг. сократить свои выбросы парниковых газов не менее чем на 5% от уровня 1990 г., а для России требуется не превышать этот уровень выбросов. К основным парниковым газам, подпадающим под действие Киотского протокола, относятся шесть отдельных газов или групп химических соединений: СО2 (углекислый газ), СН4 (метан), N2О (закись азота), ГФУ (гидрофторуглероды), ПФУ (перфторуглероды), SF6 (гексафторид серы).