Екологія довкілля. Охорона природи - Грицик В. - 2.5.2. Енергія і трофічні зв'язки в екосистемах

Енергію визначають як здатність виконувати роботу. Властивості енергії описують такими законами (за Ю. Одумом, 1986):

Перший закон термодинаміки, або закон збереження енергії - енергія може переходити з однієї форми в іншу, але вона не зникає і не створюється заново. Світло, наприклад, є однією з форм енергії, оскільки його можна перетворити в роботу, тепло чи в потенціальну енергію їжі, але енергія при цьому не пропадає.

Другий закон термодинаміки, або закон ентропії формулюється по-різному, зокрема і таким чином: процеси, пов'язані з перетворенням енергії, можуть відбуватися самовільно тільки за умови, що енергія перейде з концентрованої форми в розсіяну (тобто деградує). Наприклад, тепло гарячого предмету самовільно буде розсіюватися в більш холодному середовищі. Тому оскільки певна частина енергії завжди розсіюється у вигляді недоступної для використання теплової енергії, ефективність самовільного перетворення кінетичної енергії (наприклад, світла) в потенціальну (наприклад, енергію хімічних сполук протоплазми) завжди менша 100%. Ентропія (від грец. entropia - перетворення) - міра кількості зв'язаної енергії, що недоступна для використання.

Найважливіша термодинамічна характеристика організмів, екосистем і біосфери загалом - здатність створювати й підтримувати високий ступінь внутрішньої впорядкованості, тобто стану з низькою ентропією. Низька ентропія досягається постійним і ефективним розсіюванням легко використовуваної енергії (наприклад, енергії світла чи їжі) і перетворенням її у важко використовувану енергію (наприклад, у теплову). Впорядкованість екосистеми, тобто складна структура біомаси, підтримується за рахунок дихання, яке постійно "відкачує з угруповання невпорядкованість". Таким чином, екосистеми (як і інші біологічні системи) представляють собою відкриті неврівноважені термодинамічні системи, які постійно обмінюються з зовнішнім середовищем енергією й речовиною, зменшуючи при цьому ентропію всередині себе, але збільшуючи ентропію ззовні згідно з законами термодинаміки.

Перенесення енергії їжі від її джерела - автотрофів (рослин) - через низку організмів, яке відбувається шляхом поїдання одних організмів іншими, називається трофічним ланцюгом. Трофічні ланцюги можна поділити на два типи: пасовищний ланцюг - починається від зеленої рослини і продовжується до рослиноїдних тварин, і далі до хижаків; детритний ланцюг - від мертвої органічної речовини до мікроорганізмів, а потім до споживачів детриту (напіврозкладені рештки організмів і їх тканин) і далі до їхніх хижаків (рис.2.10).

Рис.2.10. Схема потоку енергії в пасовищному (П) і детритному (Д) трофічних ланцюгах (А - автотрофи, Н - гетеротрофи).

Трофічні ланцюги не ізольовані один від іншого, а тісно переплітаються між собою, утворюючи трофічні мережі. У природних екосистемах організми, що отримують енергію від Сонця через однакову кількість ланок, вважаються такими, що належать до одного трофічного рівня. Так, зелені рослини займають перший трофічний рівень (рівень продуцентів), травоїдні тварини - другий (рівень первинних консументів), хижаки, які поїдають травоїдних - третій (рівень вторинних консументів). Ця трофічна класифікація відноситься до функціональних груп організмів, а не до видів як таких. Потік енергії через трофічний рівень дорівнює сукупній асиміляції (А) на даному рівні, яка в свою чергу дорівнює продукції біомаси (Р) плюс витрати на дихання (Я) (рис.2.11). Шкала внизу рисунку відображає втрати енергії на кожному з трофічних рівнів, починаючи від загального надходження сонячної енергії (100%). Невикористана і незасвоєна енергія у вигляді органічної речовини повертається у речовинний кругообіг екосистеми або поступає на "експорт" у інші екосистеми.

Рис.2.11. Схема потоку енергії через три трофічні рівні (І, ІІ, III) в лінійному трофічному ланцюгу: L - загальне надходження світлової енергії (3000 ккал /м2 за добу, 100%) Lа - світло, поглинуте рослинним покривом; Рn - чиста первинна продукція (енергія, доступна для консументів); Р2, Р3-вторинна продукція консументів; NU - невикористана (накопичена) енергія; NА- незасвоєна консументами (виділена з екскрементами) енергія; R - енергія, затрачена на дихання.

Внаслідок взаємодії енергетичних явищ у трофічних ланцюгах (втрати енергії при кожному переносі) і такого фактору, як залежність обміну речовин від розміру організму, кожна екосистема має певну трофічну структуру. Трофічну структуру графічно зображують у вигляді піраміди, фундамент якої становлять продуценти (рослини), наступні рівні утворюють консументи (рослиноїдні та м'ясоїдні тварини), а вершину посідають великі хижаки. Є три основних типи пірамід: піраміда чисельності - показує чисельність організмів окремих функціональних трофічних груп; піраміда біомаси - показує загальну їх вагу або іншу міру кількості живої речовини; піраміда енергії- відображує величину потоку енергії на послідовних трофічних рівнях. Піраміди чисел і біомаси можуть бути оберненими (або частково оберненими), тобто основа може бути меншою, ніж верхні рівні. Так буває, коли середні розміри продуцентів менші, ніж розміри консументів. Навпаки, піраміда енергії завжди звужується догори (рис.2.11) за умови, що будуть враховані всі джерела енергії живлення в екосистемі.

Трофічна структура може змінюватися в залежності від віку угруповання, сезонних та інших тимчасових змін.