Краткое содержание: Параграф §21 / Биология 11 класс

Обмен веществом и энергией в экосистеме

Жизнедеятельность организмов требует постоянного притока вещества и энергии. В экосистемах происходит постоянный круговорот веществ и энергообмен между живой и неживой природой. Потоки веществ и энергии рассматриваются в экологии как их передача из внешней среды к автотрофам и далее по цепям питания от одного трофического уровня к следующему.

Типы пищевых цепей

Выделяют два основных типа пищевых цепей: пастбищную и детритную.

• Пастбищные пищевые цепи (цепи выедания) начинаются с автотрофных (фотосинтезирующих или хемосинтезирующих) организмов — продуцентов. Первое звено данной цепи всегда производитель, а последнее — консумент высшего порядка.
• Детритные пищевые цепи (цепи разложения) начинаются с детрита — отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных, а также с микроорганизмов, которые им питаются. Детритом питаются детритофаги и хищники, которые поедают детритофагов.

Основное различие между этими цепями заключается в том, что в пастбищной цепи часть энергии теряется в виде фекалий и мёртвых организмов, а в детритной — нет. Пищевые цепи не изолированы и переплетаются, образуя пищевые сети.

Продуктивность экосистемы

Органическое вещество, производимое автотрофами, называется первичной продукцией. Количество вещества, образованное всеми продуцентами экосистемы на единицу площади за единицу времени, называют валовой первичной продуктивностью, а вещество, образованное продуцентами за вычетом расходов на дыхание, — чистой первичной продуктивностью. Чистая первичная продукция примерно на 20% выше валовой. Наземные растения фиксируют не более 1–2% поступающей на Землю солнечной энергии (цианобактерии и водоросли — сотые доли процента).

Общее количество накопленных гетеротрофами органических веществ называется вторичной продукцией. Гетеротрофы дышат и выделяют непереваренные остатки, и на каждом трофическом уровне часть энергии теряется.

Экологические пирамиды

Трофическую структуру экосистемы отображают графическими моделями в виде экологических пирамид. Выделяют три основных типа:

• Пирамида чисел (численности): отражает число особей на каждом уровне. Она может быть перевёрнутой, например, в лесу, где на одном дереве (продуценте) живут миллионы насекомых (консументов I порядка).
• Пирамида биомассы: показывает соотношение между продуцентами и консументами, выраженное в их массе (сухой или сырой). Обычно она ступенчатая (прямая), но в некоторых водных экосистемах (где продуценты — фитопланктон — имеют высокую продуктивность и быстро делятся) может быть перевёрнутой.
• Пирамида энергии: отражает величину потока энергии через последовательные трофические уровни, то есть скорость прохождения массы пищи через цепь. Эта пирамида всегда прямая, так как только около 10% энергии переходит на следующий трофический уровень (правило 10 процентов или правило экологической пирамиды), а остальное тратится на жизнедеятельность и теряется в виде тепла. Установлено, что при переходе на следующий трофический уровень 90% энергии тратится на обеспечение процессов жизнедеятельности. Пищевая цепь не может содержать более 3–5 звеньев.

Формула для расчёта скорости потребления энергии: \( V = E / ( t_p + t_h ) \rightarrow \text{max} \), где \( V \) — скорость потребления энергии, \( E \) — количество энергии, заключённой в добыче, её энергетическая ценность, \( t_p \) — время поиска добычи, \( t_h \) — время обработки добычи. Это иллюстрирует правило оптимального фуражирования: хищник выбирает добычу так, чтобы обеспечить максимальное значение \( V \), то есть максимизировать скорость потребления энергии.