Екологія - Васюкова Г.Т. - 2.6. Функціонування екосистем. Потоки енергії та речовини в екосистемах

Функціонування екосистеми будь-якого рівня здійснюється лише за рахунок використання матеріально-енергетичних і інформаційних можливостей навколишнього середовища.

Як уже визначалося раніше, визначальною характеристикою життя як особливої форми існування матерії є обмін речовин.

Рис.2.2. Розподіл енергії на рівні продуцентів та первинних консументів:

1-невикористана рослинна продукція,

2-незасвоєна продукція,

3-невикористана тваринна продукція.

Обмін речовин окремих організмів із навколишнім середовищем у процесі подиху, харчування, різноманітних виділень, або в більш загальному вигляді - кругообіг речовини в екосистемах можливий лише в процесі використання і передачі енергії.

Кожній екосистемі і всім організмам в ній потрібний постійний і достатній приплив енергії для підтримки достатньо складних внутрішніх зв'язків, без чого не можливо протистояти ентропії, тобто прагненню енергії перейти не в корисну для організму роботу по обміну речовини (або кругообігу речовини у екосистемі), а в тепло і розсіятися в навколишньому просторі. В екосистемі, як і у біосфері в цілому, основними потоками енергії є потоки концентрованої (в основному Сонячної) і розсіяної енергії (теплової). Живі організми, у деякому змісті, можна порівнювати зі своєрідними машинами, що виробляють біомасу. Розрахунки показали, що КПД рослинної машини не більше 1%, тобто тільки 1% сонячної енергії міститься у рослинній продукції. Куди ж витрачаються інші 99%?

Достатньо велика кількість (30-40%) променевої енергії не проникає в листя і відбивається від їхньої поверхні. Велика частина (60-70%) витрачається на подих, випар, екскрецію, перетворюючись у тепло. Розподіл енергії на рівні продуцентів і первинних консументів подано на схемі рис.2.2.

Потік сонячної енергії перетвориться рослинами в процесі фотосинтезу в енергію хімічних зв'язків, яка послідовно переходить із їжею від рослин до тварин - консументів першого порядку, від них — до консументів другого і більш високих викидів, а в міру загибелі організмів або виділення ними останків - до редуцентів.

Особливістю перетворення енергії в екосистемах є її одностороння спрямованість - променева енергія, пройшовши ряд перетворень, у значній мірі розсіюється у вигляді тепла. Таким чином, для нормального функціонування екосистеми необхідна постійна і достатня подача концентрованої енергії, спроможної перетворюватися в роботу, при цьому ентропія навколишнього середовища збільшується, тому обов'язково необхідний стік теплової енергії з екосистем.

Схема потоків енергії і речовини в екосистемах показана на рис.2.3.

Рис. 2.3. Потоки енергії і речовини в екосистемах:

1 - сонячне світло, 2 - потік речовин, З — теплова енергія, З.Е. - запасена енергія, З.Р. - запас речовини, П - продуценти, К - консументи, Р - редуценти.

Ряд організмів, в якому кожна попередня ланка використовується як харч, для подальших має назву трофічного (харчового ) ланцюга.

Один із варіантів трофічного ланцюга показаний на рис. 2.4.

Довжина трофічного ланцюга, не може бути занадто великою. Вона, як правило, не перевищує п'яти - семи рівнів. Це зумовлено тим, щодо кожного наступного організму трофічного ланцюга переходить тільки мала доза енергії споживаної на попередньому рівні, інша йде на підтримку життєвих процесів і значна частина розсіюється у вигляді тепла. При переході від однієї ланки трофічного ланцюга до іншої передається тільки 10-20% зв'язаної енергії, а 80-90% її розсіюється у вигляді тепла. Тому, загальна маса живої речовини, наступної харчової ланки, різко зменшується. В екології співвідношення чисельності організмів, їх біомас або зв'язаної в біомасі енергії звичайно зображують у формі екологічних пірамід (рис. 2.5.)

Рис.2.4. Один з варіантів трофічного ланцюга.

Розрізняють екологічні піраміди чисельності (А), біомаси (Б) та енергії (В). В основі екологічної піраміди розміщуються організми першого трофічного рівня. З точки зору оцінки загальної ефективності екосистем найбільшу інформацію дають екологічні піраміди енергії. Вони відображають швидкість утворення біомаси та показують скільки енергії утримується на кожному з трофічних рівнів за певний період часу (звичайно за рік ).Живі організми екосистем взаємозалежні з навколишнім середовищем таким чином, що потік енергії створює чітко визначені біологічні структури і колообіги речовини між живою і неживою частинами екосистеми.

Під біологічним колообігом розуміється надходження хімічних елементів із ґрунту, атмосфери, гідросфери в живі організми, створення їх у процесі життєдіяльності в складні органічні сполуки і повернення їх потім у ґрунт, атмосферу, гідросферу в процесі життєлюбності з щорічним опалом частини органічної речовини і переробки її редуцентами - розкладання на прості хімічні елементи.

Біогеохімічні кругообіги речовини - частина біологічного кругообігу, складена обмінними циклами хімічних речовин, тісно пов'язаних із життям (головним чином вуглецю, води, азоту, фосфору, сірки і біогенних катіонів).

Рис.2.5. Екологічні піраміди.

(за Одумом,1986): Л- чисельність організмів, Б-кількість біомаси організмів, В- кількість зв'язаної енергії.

Екосистеми будуть нормально функціонувати, якщо немає порушень при проходженні енергії через трофічні ланцюги і нормально функціонують біогеохімічні колообіги речовини. Збільшення забруднення атмосфери промисловими викидами ускладнює засвоєння сонячної енергії рослинами, тому що пилюкою "забиваються" їхні устячка, через які відбувається живлення і газообмін. В результаті, зменшується кількість їжі, а отже, і енергії, що надходить всім іншим живим організмам, усе більша їхня кількість не зможе протистояти збільшенню ентропії і загине. При визначених розмірах цього процесу вся система може загинути.

Це тільки один приклад негативного антропогенного впливу на природу.