Энергия в экосистемах.

Все биологические процессы нуждаются в притоке энергии из вне. Потоки энергии в экосистемах движутся в соответствии с началами термодинамики. Первое начало – энергия не исчезает и не появляется, она переходит из одной формы в другую. Второе начало – при любых превращениях энергии часть ее теряется в виде тепла.

В экосистемах происходит превращение солнечной энергии в химическую энергию, которая запасается фотосинтезирующими растениями. Далее энергия перераспределяется по пищевым цепям. На каждом трофическом уровне энергия позволяет организмам осуществлять все необходимые функции и теряется в виде тепла.

Таблица 2.

Баланс солнечной радиации

На земной поверхности.

Таким образом, на 1 см² площади поверхности Земли поступает 108ккал, а на фотосинтез расходуется 0.2ккал/см². Большинство солнечной энергии, достигая поверхности Земли, превращается непосредственно в тепло, которое нагревает почву и воду, от которых нагревается и воздух. Это тепло является движущей силой воздушных потоков и океанических течений. Экосистемы Земли существуют на счет не загрязняющей экосистемы, практически вечной солнечной энергии, количество которой постоянно и избыточно. Количество солнечной энергии достаточно для удовлетворения всех потребностей человека. В итоге вся солнечная энергия превращается в тепло, поэтому увеличение ее использования не может изменить термодинамику биосферы.

Рис. 12. Потоки веществ и энергии в экосистеме.

1- Потоки энергии. 2- Потоки биогенных элементов. 3- потоки веществ в свободной неорганической форме.

Солнечная энергия экологически чиста, это отличает ее от энергии топлива и земных ядерных реакций. Солнечная энергия постоянна, ее поступлению ничто не угрожает, она будет поступать в этом количестве всегда и по неизменной цене. Солнечная энергия практически вечна. Солнце погибнет через миллиарды лет, жизнь на Земле исчерпала не более 0,5% отведенного для нее срока.

В земных экосистемах энергия пронизывает все трофические уровни.

Первый трофический уровень – зеленые растения - продуценты. Они получают до 0,2% энергии, поступающей на Землю. От этого количества 64% энергии тратится на метаболизм, 20% уходит в отходы. В итоге на первом трофическом уровне остается 16% получаемой солнечной энергии. Это чистая первичная продуктивность, т.е. количество энергии создаваемое растениями в виде биомассы на единицу площади в единицу времени. Чистая первичная продукция является главным источником энергии для животных.

Наибольшую чистую первичную продуктивность имеют эстуарии – места смешения океанских и речных (пресных) вод, болота, леса тропического пояса – 9000 ккал/м²/год, леса умеренного пояса производят 6000 ккал/м²/год, тундра – 700 ккал/м²/год.

Сельскохозяйственные угодья имеют чистую первичную продуктивность 2800 ккал/м²/год.

Энергия, которая остается на первом трофическом уровне позволяет синтезировать здесь биомассу в пределах 800 г/м².

Второй трофический уровень – травоядные. Здесь 68% получаемой на уровень энергии расходуется на метаболизм, 21% идет на органические отходы, остальные 11% энергии позволяет сформировать биомассу 80 г/м².

Третий трофический уровень - плотоядные, они расходуют на процессы метаболизма 71% энергии, 24% идет в отходы, оставшаяся часть энергии используется для создания биомассы в количестве 8 г/м².

Четвертый трофический уровень - высшие плотоядные могут формировать из оставшейся после процессов метаболизма и отходов энергии не более 0,8 г/м² биомассы.

Таким образом, чем длиннее трофическая цепь, тем больше теряется полезной высококачественной энергии при переходе с одного трофического уровня на другой.

Резюме: 1. Получение всех ресурсов и избавление от отходов в экосистемах происходит в рамках круговорота веществ и элементов.

2. Экосистемы существуют за счет солнечной энергии: избыточной, чистой, постоянной, вечной.

3.Смуществует обратная зависимость биомассы и трофического уровня: чем больше биомасса популяции, тем ниже занимаемый ею трофический уровень.

Принципы функционирования экосистемы:

а) Принцип экологической комплиментарности: никакая часть экосистемы не может существовать без других функционально дополняющих частей.

б) Принцип экологической конгруэнтности: функционально дополняя друг друга, живые составляющие экосистемы вырабатывают для этого соответствующие приспособления, скоординированные с условиями абиотической среды, преобразуемой теми же организмами.

в) Закон формирования экосистемы: длительное существование организмов возможно лишь в рамках экологической системы, где их компоненты и элементы дополняют друг друга и соответственно приспособлены друг к другу.

г) Закон однонаправленного потока энергии (энергетической проводимости или закон сохранения жизни). Поток энергии, вещества и информации является сквозным, охватывает всю экосистему. Энергия, получаемая сообществом и усваиваемая продуцентами, рассеивается или вместе с биомассой передается консументам, а затем редуцентам.

д) Закон пирамиды энергии (закон 10%): с нижележащего трофического уровня на более высокий переходит не более 10% энергии. Падение потока энергии на каждом трофическом уровне связано с процессами, сопровождающими дыхание.

е) Закон внутреннего динамического равновесия: энергия, информация и динамические качества отдельных природных систем и их иерархии взаимосвязаны настолько, что изменение одного из этих показателей вызывает сопутствующие функционально-структурные количественные и качественные перемены, сохраняющие общую сумму вещественно-энергетических, информационных и динамических качеств системы, где эти изменения происходят.

ж) Закон экологической корреляции: в экосистеме все входящие в нее виды живого и абиотические компоненты функционально соответствуют друг другу. Выпадение одного элемента экосистемы, ведет к исключению всех тесно связанных с этим элементом системы других ее частей и функциональному изменению целого в рамках внутреннего динамического равновесия.

з) Закон метаболизма и размеров особей: при неизменном потоке энергии через экосистемы мелкие наземные организмы с высоким метаболизмом создают меньшую биомассу, чем крупные организмы, т.к. значительная часть энергии уходит на поддержание обмена веществ.

и) Закон удельной продуктивности: удельный выход биомассы мелких особей с единицы площади выше, т.к. происходит более плотное заселение территории. Слоны не могут создать биомассы и продукции с единицы территории, которую могут создать насекомые.

к) Принцип продуктивной оптимизации: продуценты создают биомассу, достаточную для консументов, но не излишнюю для потребления всем биотическим сообществом, т.е. создается определенный запас, обеспечивающий надежность экосистемы.

Таким образом, биосфера земли – сочетание экосистем, состоящих их растений, животных, микробов и факторов окружающей среды. Факторы окружающей природной среды могут быть экзогенные и эндогенные, биотические и абиотические, переменные и постоянные, периодическими и непериодическими, витальными и сигнальными. Действие любых экологических факторов может быть лимитирующим.

Структуру экосистемы составляют связи между продуцентами, консументами, редуцентами. Важнейшие отношения в экосистеме – трофические. Пищевая цепь – путь транспорта веществ и энергии в экосистеме. Трофические уровень – совокупность организмов с одним типом питания. Совокупность трофических уровней создает трофическую пирамиду, которая может быть пирамидой чисел, биомассы, энергии. Экосистемы существуют на счет биогеохимических циклов и нисходящего потока энергии, поступающей на Землю из вне, энергии избыточной, чистой, постоянной и вечной.

Тесты по теме

1.Продуценты - это….

1) люцерна

2) заяц

3) лев

4) вол

2.Продуценты - это….

1) лев

2) овес

3) вол

4) кашалот

3.Продуценты - это….

1) дятел

2) жаба

3) береза

4) орел

4.Продуценты - это….

1) песец

2) клен

3) олень

4) рысь

5. Консументы - это….

1) заяц

2) люцерна

3) овес

4) хлорелла

6. Консументы - это….

1) береза

2) лев

3) ландыш

4) кактус

7. Консументы - это….

1) маргаритка

2) шиповник

3) вол

4) осина

8.Консументы - это….

1) папотник

2) кашалот

3) подорожник

4) редис

9. Закон внутреннего динамического равновесия - это….

1) поток энергии, вещества и информации является сквозным, охватывает всю экосистему. Энергия, получаемая сообществом и усваиваемая продуцентами, рассеивается или вместе с биомассой передается консументам, а затем редуцентам

2) с нижележащего трофического уровня на более высокий переходит не более 10% энергии, падение потока энергии на каждом трофическом уровне связано с процессами, сопровождающими дыхание

3) энергия, информация и динамические качества отдельных природных систем и их иерархии взаимосвязаны настолько, что изменение одного из этих показателей вызывает сопутствующие функционально-структурные количественные и качественные перемены, сохраняющие общую сумму вещественно-энергетических, информационных и динамических качеств системы, где эти изменения происходят

4) в экосистеме все входящие в нее виды живого и абиотические компоненты функционально соответствуют друг другу. Выпадение одного элемента экосистемы, ведет к исключению всех тесно связанных с этим элементом системы других ее частей и функциональному изменению целого в рамках внутреннего динамического равновесия

10. Закон экологической корреляции - это….

1) поток энергии, вещества и информации является сквозным, охватывает ВСЮ экосистему. Энергия, получаемая сообществом и усваиваемая продуцентами, рассеивается или вместе с биомассой передается консументам, а затем редуцентам

2) с нижележащего трофического уровня на более высокий переходит не более 10% энергии, падение потока энергии на каждом трофическом уровне связано с процессами, сопровождающими дыхание

3) энергия, информация и динамические качества отдельных природных систем и их иерархии взаимосвязаны настолько, что изменение одного из этих показателей вызывает сопутствующие функционально-структурные количественные и качественные перемены, сохраняющие общую сумму вещественно-энергетических, информационных и динамических качеств системы, где эти изменения происходят

4) в экосистеме все входящие в нее виды живого и абиотические компоненты функционально соответствуют друг другу. Выпадение одного элемента экосистемы, ведет к исключению всех тесно связанных с этим элементом системы других ее частей и функциональному изменению целого в рамках внутреннего динамического равновесия

11. Закон одно направленного потока энергии (закон сохранения жизни) - это….

1) поток энергии, вещества и информации является сквозным, охватывает всю экосистему. Энергия, получаемая сообществом и усваиваемая продуцентами, рассеивается или вместе с биомассой передается консументам, а затем редуцентам

2) с нижележащего трофического уровня на более высокий переходит не более 10% энергии, падение потока энергии на каждом трофическом уровне связано с процессами, сопровождающими дыхание

3) энергия, информация и динамические качества отдельных природных систем и их иерархии взаимосвязаны настолько, что изменение одного из этих показателей вызывает сопутствующие функционально-структурные количественные и качественные перемены, сохраняющие общую сумму вещественно-энергетических, информационных и динамических качеств системы, где эти изменения происходят

4) в экосистеме все входящие в нее виды живого и абиотические компоненты функционально соответствуют друг другу. Выпадение одного элемента экосистемы, ведет к исключению всех тесно связанных с этим элементом системы других ее частей и функциональному изменению целого в рамках внутреннего динамического равновесия

12. Закон пирамиды энергии (закон 10%) - это….

1) поток энергии, вещества и информации является сквозным, охватывает всю экосистему. Энергия, получаемая сообществом и усваиваемая продуцентами, рассеивается или вместе с биомассой передается консументам, а затем редуцентам

2) с нижележащего трофического уровня на более высокий переходит не более 10% энергии, падение потока энергии на каждом трофическом уровне связано с процессами, сопровождающими дыхание

3) энергия, информация и динамические качества отдельных природных систем и их иерархии взаимосвязаны настолько, что изменение одного из этих показателей вызывает сопутствующие функционально-структурные количественные и качественные перемены, сохраняющие общую сумму вещественно-энергетических, информационных и динамических качеств системы, где эти изменения происходят

4) в экосистеме все входящие в нее виды живого и абиотические компоненты функционально соответствуют друг другу. Выпадение одного элемента экосистемы, ведет к исключению всех тесно связанных с этим элементом системы других ее частей и функциональному изменению целого в рамках внутреннего динамического равновесия

Контрольные вопросы

1.Биогеохимические циклы.

2.Круговорот элементов: углерода, азота, серы, фосфора.

3.Антропогенное влияние на круговорот элементов.

4.Энергия в экосистеме.

5.Принципы и законы функционирования экосистемы:

а) принцип экологической комплиментарности.

б) принцип экологической конгруэнтности.

в) закон формирования экосистемы.

г) закон однонаправленного потока энергии.

д) закон пирамиды энергии (закон 10%).

е) закон внутреннего динамического равновесия.

ж) закон экологической корреляции.

з) закон метаболизма и размеров особей.

и) закон удельной продуктивности.

к) принцип продуктивной оптимизации.

ЛИТЕРАТУРА

1.Петров К.М. Общая экология / К.М.Петров.- СПб.: Химия,1998. -С.114-125

2.Реймерс Н.Ф. Экология (теории, законы, правила, принципы и гипотезы)/ Н.Ф.Реймерс. – М.: «Россия Молодая», 1994.- С. 8-22

3. Одум Ю. Экология: в 2 т. /Ю.Одум.- М.: Мир, 1986. - Т. 1. – 328 с.; Т.2. - 376 с.