Как изменяется процесс преобразования вещества и энергии в эволюции экологических систем кратко

Обновлено: 25.06.2024

Экосистема может существовать недолго — например, заливной лужок высохнет за один год, стоит только реке чуть изменить русло. А вот экосистемы тайги, пустынь, морей живут тысячи лет. Что является причиной столь долгого и устойчивого их существования? Дело в том, что компоненты экосистемы возобновляются, идет круговорот веществ, превращение энергии, имеет место постоянство видового состава.

1. Главным источником энергии для нашей планеты является звезда Солнце. Именно от безостановочного притока энергии зависит жизнедеятельность всех земных экосистем, круговорот веществ в природе.

2. Фотосинтезирующие растения преображают энергию светила в энергию химических связей органических соединений.

3. Последовательная передача энергии по пищевым цепям идет в соответствии со вторым законом термодинамики, а именно — преобразование одного вида энергии в другой происходит с неизбежной потерей части энергии.

4. Исходя из этого закона, мы можем сделать вывод: круговорота энергии в природе не бывает! Она теряется в цепях питания, то есть у нее самой нет цепи.

Итак, энергия, поступившая в экосистему, похожа на одноразовую картонную посуду — она красива, но использовать ее можно только один раз, и к концу пикника она теряется свою функциональность. В отличие от энергии, химические вещества — это фарфоровые тарелки, служащие годами, они используются многократно, с круговым потреблением и превращением. Химические вещества многократно пропускают через себя живые организмы экосистемы (продуценты, консументы, редуценты) — это и есть биологический круговорот веществ.

Биологический круговорот подразумевает следующие стадии:

1. Поступление химических элементов в разнообразные живые организмы из воды, почвы, атмосферы.

2. Превращение их в новые соединения.

3. Возвращение элементов в ходе жизнедеятельности организмов в воду, почву и атмосферу.

Вечный круговорот веществ в естественных экосистемах можно считать замкнутым, хотя полностью замкнутым он бывает редко. А вот в агроценозе круговорот разомкнут — человек отнимает у системы часть химических веществ вместе с урожаем и вносит их в состав удобрений. Еще одна важная сторона круговорота — накопление различных веществ (химических элементов) в земной толще в качестве полезных ископаемых.

Продуктивность биоценозов

Солнечная энергия, которую потребляют растения-автотрофы, преображается в энергию химических связей синтезируемых внутри растений веществ. В этом процессе важен такой показатель, как скорость фиксации солнечной энергии — он определяет количество биомассы, которое способен произвести биоценоз. Вся совокупность произведенной биомассы растительных и животных организмов — это продукция биоценоза.

Итак, продукция биоценоза, или биологическая продукция, — это биомасса, произведенная за единицу времени на единицу площади или объема (например, г/м2, г/м3, кг/га, т/км2 и др.). Иногда учитывают массу сырого вещества, но обычно ведется подсчет сухого вещества. В продукции биоценоза выделяют фитомассу (растительную биомассу), зоомассу (животную биомассу), бактериомассу, а также биомассу неких групп или организмов отдельных видов.

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.

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.

Любой биоценоз взаимодействует со своей средой обитания - биотопом, в результате чего образуется более сложная биологическая система - биогеоценоз. Биотоп включает в свой состав почву (эдафотоп), воду (гидротоп) и воздух с климатическими факторами (климатотоп). Термин биогеоценоз был введен в 1942 году советским ученым В.Н.Сукачевым. Биогеоценоз - это исторически сложившаяся совокупность на известной протяженности земной поверхности однородных природных явлений - атмосферы, горной породы, гидроло-гических условий, растительного и животного мира, мира микроорганизмов и почвы. Иными словами, биогеоценоз - это исторически сложившаяся совокупность биоценоза и биотопа, основу которой составляет метаболизм ее компонентов, т.е. обмен веществом и энергией.

1) пастбищные цепи, или цепи выедания, - это пищевые цепи, начинающиеся с продуцентов. Например: капуста — гусеница — синица — ястреб — человек.

2) детритные цепи, или цепи разложения, - это пищевые цепи, начинающиеся с детрита. Например: опавшие листья (детрит) — дождевой червь — плесневые грибы — микроорганизмы — биогены.

Место организма в пищевой цепи относительно ее начала называется трофическим уровнем и обозначается римской цифрой. Трофических уровней столько, сколько пищевых звеньев в цепи питания. Однако, в связи с тем, что почти все организмы являются олиго- или полифагами, то они могут находиться на разных трофических уровнях в одной и той же пищевой цепи в зависимости от характера пищи. Кроме того, они могут быть звеньями разных пищевых цепей одновременно. В результате этого пищевые цепи в чистом виде в природе не встречаются. Переплетаясь между собой, они образуют пищевые сети.

Пищевая сеть - это совокупность пищевых цепей сообщества, взаимосвязанных между собой общими пищевыми звеньями.

Например: морковь — заяц — волк

капуста — гусеница — синица — ястреб — человек

Виды с широким спектром питания могут включаться в пищевые цепи на разных трофических уровнях. Только продуценты всегда занимают первый трофический уровень. Используя солнечную энергию и биогены, они образуют органическое вещество, которое содержит энергию в виде энергии химических связей. Это органическое вещество, или биомасса продуцентов, потребляется организмами второго трофического уровня. Однако не вся биомасса предыдущегоуровня съедается организмами последующего уровня, потому что исчезли бы ресурсы для развития экосистемы. При переходе от одного трофического уровня к другому происходит трансформация вещества и энергии. На каждом трофическом уровне пастбищной пищевой цепи не вся съеденная биомасса идет на образование биомассы организмов данного уровня. Значительная часть ее затрачивается на обеспечение жизнедеятельности организмов: дыхание, движение, размножение, поддержание температуры тела и т.д. Кроме того, не вся съеденная биомасса усваивается. Непереваренная часть ее в виде экскрементов попадает в окружающую среду. Процент усвояемости зависит от состава пищи и биологических особенностей организмов, он составляет от 12 до 75%. Основная часть ассимилированной биомассы расходуется на поддержание жизнедеятельности организмов и только сравнительно небольшая ее часть идет на построение тела и рост. Другими словами, большая часть вещества и энергии при переходе от одного трофического уровня к другому теряется, потому что к последующему потребителю попадает только та их часть, которая включилась в биомассу предыдущего трофического уровня. По подсчетам установлено, что теряется в среднем около 90%, и только 10% вещества и энергии переходит на каждом этапе пищевой цепи. Например:

Продуценты — консументы I — консументы II — консументы III

Таким образом, запас вещества и энергии, накопленный растениями в пастбищных пищевых цепях, быстро расходуется (выедается), поэтому пищевые цепи не могут быть длинными. Обычно они включают 4-5 звеньев, но не более 10-ти. На каждом трофическом уровне пастбищной пищевой цепи образуется отмершее органическое вещество и экскременты -детрит, от которого начинаются детритные цепи, или цепи разложения. В наземных экосистемах процесс разложения детрита включает три этапа:

1. Этап механического разрушения и частичного превращения в сахариды. Он очень короткий - 3-4 года. Его осуществляют редуценты I порядка - макробиота (черви, личинки насекомых, землероющие млекопитающие и др.). На этом этапе потерь энергии практически не происходит.

2. Этап разрушения детрита до гуминовых кислот. Он продолжается 10-15 лет и пока слабо изучен. Его осуществляют редуценты II порядка - мезобиота (грибы, простейшие, микроорганизмы крупнее 0,1 мм). Гуминовые кислоты - это перегной, полуразрушенное органическое вещество, поэтому при их образовании происходит разрыв части химических связей и выделяется тепловая энергия, которая рассеивается в космическом пространстве.

3. Этап разрушения гуминовых кислот до неорганического вещества - биогенов. Он протекает очень медленно, особенно в нашей умеренной зоне (сотни и тысячи лет) и еще практически не изучен. Его осуществляют редуценты III порядка - микробиота (микроорганизмы меньше 0,1 мм). При разрушении гуминовых кислот происходит разрыв всех химических связей и выделяется большое количество тепловой энергии, которая теряется в космическом пространстве. Образующиеся в результате этого процесса биогены энергии не содержат, в дальнейшем они поглощаются продуцентами и опять вовлекаются в круговорот вещества.

Как видно из вышесказанного, на уровне редуцентов наблюдается задержка жизни, но так быть не должно. В почве есть запас гуминовых кислот, которые образовались очень давно, поэтому задержки жизни не происходит. В разных экосистемах скорость разрушения гуминовых кислот разная. Если она меньше, чем скорость их образования, то плодородие почвы повышается, если же наоборот, то оно снижается. Вот почему в умеренной зоне после разрушения биогеоценоза возможно длительное использование плодородия почвы. В тропиках плодородия почвы достаточно на 2-3 года, а затем она превращается в пустыню. Здесь разрушение гуминовых кислот идет быстро. Этому способствуют высокая температура, влажность и аэрация. В умеренной зоне в почве содержится до 55% углерода, а в тропиках - только до 25%. Вот почему нельзя вырубать тропические леса, чтобы предотвратить опустынивание планеты.

Таким образом, поток энергии, входящий в экосистему, далее разбивается как бы на два основных русла - пастбищное и детритное. В конце каждого из них энергия теряется безвозвратно, потому что растения в процессе фотосинтеза не могут использовать тепловую длинноволновую энергию.

Соотношение количества энергии, проходящей через пастбищные и детритные цепи, в разных типах экосистем разное. Потеря энергии в пищевых цепях может быть восполнена только за счет поступления новых порций. Это осуществляется за счет ассимиляции солнечной энергии растениями. Поэтому в экосистеме не может быть круговорота энергии, аналогично круговороту вещества. Экосистема функционирует только за счет направленного потока энергии - постоянного поступления ее в виде солнечного излучения, либо в виде готового органического вещества.

Например: морковь — заяц — волк

капуста — гусеница — синица — ястреб — человек

Продуценты — консументы I — консументы II — консументы III

Любое сообщество можно представить в виде пищевой сети, в которой сложно переплетены многочисленные пищевые цепи. По пищевым цепям происходит передача веществ и энергии в экосистеме от звена к звену. Каждое звено в цепи питания называют трофическим (от греч. trofo — питание) уровнем.

Первый трофический уровень составляют продуценты, автотрофные организмы — растения и некоторые бактерии. В основном растения создают органические вещества из неорганических за счет использования энергии солнечного света (фотосинтез), а бактерии — за счет энергии химических реакций окисления минеральных веществ (хемосинтез).

Второй трофический уровень составляют растительноядные животные — консументы. Третий уровень — плотоядные животные (хищники), четвертый уровень — животные, поедающие других плотоядных, и т. д. Многих животных невозможно отнести к одному уровню, так как они всеядны, могут получать энергию с нескольких разных трофических уровней Все консументы и редуценты — гетеротрофные организмы.
Разнообразные вещества и энергия перемещаются от одного трофического уровня к другому по цепям питания по мере поедания одних организмов другими, претерпевая многочисленные превращения На конечном этапе редуценты полностью разрушают органические вещества, превращают их в минеральные Подобные последовательные превращения веществ в экосистемах называют круговоротом. При этом вещества используются в круговороте многократно, а энергия — только один раз.

Значит, существование всех экосистем зависит от постоянного притока энергии извне.

Как же осуществляется энергетический обмен в экосистемах?

Всем организмам необходима энергия, а единственным источником практически всей энергии на Земле является Солнце.

Однако только 1% световой энергии Солнца улавливается растениями в процессе фотосинтеза и запасается в виде химической энергии, а 99% теряется в виде тепла и расходуется на испарение Запасенная растениями энергия передается от одного трофического уровня к другому по пищевым цепям Не вся энергия, содержащаяся в пище, переходит к организму, занимающему более высокий трофический уровень, например к хищнику. Часть энергии теряется во время превращения веществ пищи в молекулы тела хищника, а часть проходит через кишечный тракт хищника в неизменном виде.

Полученная организмом пища с заключенной в ней энергией расходуется двояким образом Большая ее часть используется на поддержание процессов жизнедеятельности клеток. Энергетические затраты на поддержание всех метаболических процессов называют тратой на дыхание. Меньшая часть усвоенной пищи идет на рост организма или откладывается в виде запасных питательных веществ. Таким образом, большая часть энергии (около 90%) при переходе с одного трофического уровня на другой теряется.

Если калорийность растительной пищи 1000 Дж, то при поедании ее раститель ноядным животным в теле последнего сохраняется всего 100 Дж, в теле хищника — 10 Дж.

Этот факт объясняет небольшую длину пищевых цепей, которые обычно состоят из 4-5 звеньев.

Энергия может быть восполнена только за счет ее поступления извне Без притока энергии в экосистемах не может быть круговорота веществ, они функционируют за счет непрерывного притока энергии, поступающей из окружающей среды.
Одним из способов выражения энергетической структуры сообщества является пирамида энергии, которая никогда не может быть перевернутой (то есть ее верхушка не может быть шире основания), так как поток энергии через трофические уровни всегда уменьшается от первого звена к последнему.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Читайте также: