Потоки веществ и энергии в биогеоценозе

В природе все живые организмы связаны друг с другом различными связями.

Наиболее важными взаимосвязями живых организмов в природе, являются пищевые, которые строятся в пищевые цепи, а они в свою очередь в пищевые сети.

Первыми в пищевой цепи являются продуценты, то есть растения.

Продуцентами питаются консументы 1-го порядка ─ то есть травоядные животные.

Которыми питаются консументы 2-го порядка ─ хищные животные.

Ими питаются консументы 3-го порядка ─ плотоядные животные.

А редуценты разлагают органические вещества на минеральные компоненты, находящиеся на последнем трофической уровне и завершают цепь питания. Они окончательно высвобождают энергию, связанную ранее продуцентами.

Положение, которое занимает организм в пищевой цепи называется трофическим уровнем.

Трофические уровни можно представить в виде ступенек.

Виды, которые составляют одну ступеньку, объединяются не происхождением или внешним сходством, а типом питания.

На 1м трофическом уровне располагаются автотрофы, которые синтезируют органические вещества из неорганических.

На втором, третьем и четвёртом уровнях гетеротрофы, которые живут за счёт органического вещества, созданного автотрофами.

А на пятом трофическом уровне располагаются как вы знаете организмы которые питаются минеральными веществами. Их называют сапротрофы.

В экосистеме обычно бывает 4─5 трофических уровней и редко больше 6. Частично это обусловлено тем, что на каждом из уровней часть вещества и энергии теряется.

Все организмы состоят из клеток, а для поддержания жизнедеятельности, клеткам организма необходимо получать органические и неорганические вещества, а также энергию.

Основным источником энергии для клетки являются поступившие (органические вещества, такие как: белки, жиры и углеводы), которые распадаются до более простых веществ.  

Поступившие углеводы превращаются в глюкозу. Белки расщепляются до аминокислот. А жиры до глицерина и жирных кислот.

Таким образом поступившие вещества расщепляются до более простых и окисляются кислородом в клетках организма.

В результате этих процессов происходит выделение энергии. Которая и необходима живым организмам для жизнедеятельности.

Почти все окислительные реакции происходят в митохондриях клетки.

Высвобождаемая энергия запасается в виде соединения — АТФ (аденозин трифосфорной кислоты).

То есть в митохондриях происходит окисление кислородом органических соединений, до углекислого газа и воды, и высвобождение энергии.

Данная энергия необходима для протекания различных биохимических реакций организма.

Молекула АТФ состоит из азотистого основания – аденина, углевода рибозы, и трёх остатков фосфорной кислоты.

Два последних фосфата соединены друг с другом и с остальной частью молекулы макроэргическими фосфатными связями. При разрыве которых выделяется энергия.

Энергия каждой связи составляет 12000 калорий на 1 моль АТФ, что превышает энергию обычной химической связи.

Теперь вам стало понятно для чего организмы питаются для того чтобы получить необходимую энергию.

Таким образом и органическое вещество, и энергия передаются по цепям питания. То есть от растения к травоядному животному – от него к хищному животному, и так далее.

Трофическую структуру биоценоза и экосистемы обычно изображают графическими моделями в виде экологических пирамид.

Такие модели в 1927 г. разработал английский зоолог Чарлз Элтон.

Известный британский эколог и зоолог, один из основателей популяционной экологии. Член Лондонского королевского общества.

Экологические пирамиды — это графические модели (как правило, в виде треугольников), которые отражают число особей (пирамида чисел), количество их биомассы (пирамида биомасс) или заключенной в них энергии (пирамида энергии) на каждом трофическом уровне и указывающие на понижение всех показателей с повышением трофического уровня.

Итак, различают три типа экологических пирамид.

Пирамида энергии, пирамида чисел (или численности), пирамида биомасс.

Пирамида энергии представляет собой пирамиду, отражающую передачу энергии (которая содержится в пище) от продуцентов - через ряд организмов, каждый из которых поедает предыдущего и съедается следующим.

Однако, энергия от одного организма к другому переходит как мы уже сказали не в полном объёме.

В 1942 г. Американский эколог Раймонд Линдеман, сформулировал закон пирамиды энергии.

Который звучит так: «с одного трофического уровня на другой через пищевые цепи переходит в среднем около 10% энергии, поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды».

Например, консументы 1-го порядка поедают растения и получают от них энергию, 90% из которой рассеивается в виде тепла и используется на нужды организма. А 10% запасается в тканях. Консументы 2-го порядка поедая консументов 1-го порядка получают эти 10 %, а запасают только 1% от полученной энергии (то есть десятую её часть); консументы 3-го порядка поедают консументов 2-го порядка получают 1% энергии, и запасают 0,1 % солнечной энергии, связанной растениями.

На этом передача энергии не заканчивается. Далее продукты жизнедеятельности и отмершие тела как продуцентов, так и консументов становятся источником энергии для редуцентов ─ бактерий и грибов, которые разлагают (минерализируют) это органическое вещество и получают 0,01% энергии.

Давайте разберёмся почему организмом следующих порядков достаётся только часть энергии, от всей полученной энергии съеденного организма.

Дело в том, что часть заключённой в пище энергии не усваивается и выводиться из организма с экскрементами.

Часть энергии как мы уже сказали, расходуется как материал для строительства тела самого организма. 

Так же много энергии тратиться на работу, которую выполняет животное охотясь, перемещаясь, строя жилище.

А если говорить про целые трофические урони. То не все организмы одного уровня съедаются организмами другого. Таким образом, не вся энергия, которая была распределена между организмами одного уровня перейдет к организмам следующего уровня. 

То есть, при перемещении энергии по пищевой цепи с одного трофического уровня на другой скорость её потока снижается.

Откуда же берут энергию растения?

От солнца, которое является практически единственным источником энергии на Земле.

Солнечная энергия поглощается фотосинтетическими пигментами (хлорофиллами), которые находятся в хлоропластах листа, и преобразовывается в энергию химических связей (в энергию органических веществ). Данный процесс называется фотосинтезом.

Пищевые отношения и эффективность передачи энергии в биотическом сообществе экосистемы изображают как вы уже поняли в виде ступенчатых экологических пирамид.

Рассмотрим пирамиду численности и пирамиду биомассы.

В пирамидах численности (или чисел) подсчитывают организмов каждого трофического уровня.

В пирамидах биомассы, используют суммарную массу организмов на каждом трофическом уровне;

Высота пирамиды обычно соответствует длине пищевой цепи.

Пирамида численности или чисел отражает численность (плотность) отдельных организмов на каждом трофическом уровне.

Чем выше уровень, тем ниже численность составляющих ее организмов.

На первом уровне растения, их численность во много раз больше чем, травоядных животных, а травоядных животных больше чем хищных.

Потому как, чтобы прокормить одну лягушку необходимо некоторое количество кузнечиков. А чтобы прокормить одну змею необходимо несколько лягушек и так далее.

Вместе с этим пирамиды чисел могут быть перевёрнутыми. Примером, могут являться пищевые цепи леса.  Когда продуцентами являются деревья, а первичными консументами являются насекомые.

То есть на одном дереве может быть множество насекомых. В таком случае количество первичных коносументов численно выше, чем число продуцентов. 

Для построения пирамиды чисел необходимо сначала подсчитать особей разных видов в определённой местности, а затем распределить эти виды по трофическим уровням. Обычно в результате получается постепенное убывание численности организмов каждого трофического уровня при переходе от низшего уровня к высшему.

Количество особей на разных уровнях изображают в виде лежащих друг на друге прямоугольников, длина которых пропорциональна числу организмов на единице площади местообитания или в единице объёма (если экосистема водная).

Пирамида биомасс – это соотношение масс организмов разных трофических уровней. Соотношение биомасс изображают графически, таким образом, что длина или площадь прямоугольника, пропорциональна его массе.   

Обычно, общая масса продуцентов больше, чем биомасса каждого последующего звена. Если говорить о наземных экосистемах. Так общая масса коносументов 1-го порядка больше, чем общая масса консументов 2-го порядка.  Потому что в любой трофической цепи не вся пища используется на рост особи, т.е. на формирование биомассы (часть её расходуется на удовлетворение энергетических затрат организмов: дыхание, движение, размножение, поддержание температуры тела и т.д.).

Следовательно, в каждом последующем звене пищевой цепи происходит уменьшение биомассы.

Таким образом, чем выше трофический уровень, тем ниже общая биомасса и численность, и энергия составляющих её организмов.

Так, экологические пирамиды дают представление об устойчивости сообщества.

Например, число деревьев в лесу определяет заключённую в них биомассу и энергию, микроклимат, а также количество убежищ для многих насекомых и птиц.