§ 42. Круговорот веществ и поток энергии в экосистеме

Вспомните:

• Как происходит биологический круговорот веществ биосферы?

Ответ. Согласно учению академика Владимира Ивановича Вернадского (1863-1945), биосфера состоит: 1) из живого вещества, то есть живых организмов; 2) из погибшего живого вещества; 3) из продуктов его переработки живыми организмами и распада горных пород.

Циркуляция веществ в биосфере между почвой, атмосферой, растениями, микроорганизмами и животными называется биологическим круговоротом. На Земле все начинается с растительности – и ею же заканчивается.

Под воздействием солнечной энергии деревья и другие зеленые растения создают путем фотосинтеза органические вещества, которые концентрируются в листьях, стеблях, корнях и плодах. Побочный продукт синтеза органики — кислород: вот так земная флора создает основу существования земной фауны. Первичная атмосфера нашей планеты была богата аммиаком и углекислым газом, но кислорода в ней не было, и за то, что мы сегодня можем дышать, надо благодарить только зеленые растения.

Животные усваивают кислород в процессе дыхания, а образующийся при этом углекислый газ вновь поступает в атмосферу. Синтезированная растениями органика служит пищей для травоядных, грызунов и многих птиц, а тех, в свою очередь, поедают плотоядные хищники. Отходы жизнедеятельности животных, их мертвые тела и остатки растений попадают на поверхность почвы, где за дело берутся микроорганизмы. В результате получается гумус. Его разлагают другие пожиратели остатков мертвых организмов, а конечный продукт усваивают живые растения. Итак, круг замкнулся! Биологический круговорот на Земле непрерывен и участвует в большом геологическом круговороте веществ между Мировым океаном и сушей.

Биологический круговорот в природе происходит благодаря солнцу, нагревающему воздух, почву и растительность. При этом испаряется вода, и ее пары, сгущаясь в облака, в конце концов возвращаются на землю дождем или снегом. Дождевая вода из почвы всасывается корнями растений, а попавшая на листья сразу испаряется в атмосферу. Вода, проникшая глубоко в почву, вливается в слой грунтовых вод и оттуда попадает в водоемы или по микротрещинкам грунта – капиллярам – просачивается в почву. Часть солнечной энергии деревья используют для превращения углекислого газа в органические вещества – основу питания всех живых существ. При этом выделяется кислород, необходимый для дыхания животных и человека.

Вопросы после §42

• Как связаны в потоке энергии продуценты и консументы?

Ответ. Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ, которые необходимы для поддержания жизни. Главным источником энергии для подавляющего большинства живых организмов на Земле является Солнце. Фотосинтезирующие организмы (зеленые растения, цианобактерии, некоторые бактерии) непосредственно используют энергию солнечного света. При этом из углекислого газа и воды образуются сложные органические вещества, в которых часть солнечной энергии накапливается в форме химической энергии. Органические вещества служат источником энергии не только для самого растения, но и для других организмов экосистемы. Высвобождение заключенной в пище энергии происходит в процессе дыхания. Продукты дыхания — углекислый газ, вода и неорганические вещества — могут вновь использоваться зелеными растениями. В итоге вещества в данной экосистеме совершают бесконечный круговорот. При этом энергия, заключенная в пище, не совершает круговорот, а постепенно превращается в тепловую энергию и уходит из экосистемы. Поэтому необходимым условием существования экосистемы является постоянный приток энергии извне.

Таким образом, основу экосистемы составляют автотрофные организмы — продуценты (производители, созидатели), которые в процессе фотосинтеза создают богатую энергией пищу — первичное органическое вещество. В наземных экосистемах наиболее важная роль принадлежит высшим растениям, которые, образуя органические вещества, дают начало всем трофическим связям в экосистеме, служат субстратом для многих животных, грибов и микроорганизмов, активно влияют на микроклимат биотопа. В водных экосистемах главными производителями первичного органического вещества являются водоросли.

Готовые органические вещества используют для получения и накопление энергии гетеротрофы, или консументы (потребители). К гетеротрофам относятся растительноядные животные (консументы I Порядка), плотоядные, живущие за счет растительноядных форм (консументы II порядка), потребляющие других плотоядных (консументы Ш порядка) и т. д.

Особую группу консументов составляют редуценты (разрушители), разлагающие органические остатки продуцентов и консументов до простых неорганических соединений, которые затем используются продуцентами. К редуцентам относятся главным образом микрорганизмы — бактерии и грибы. В наземных экосистемах особенно важное значение имеют почвенные редуценты, вовлекающие в общий круговорот органические вещества отмерших растений (они потребляют до 90% первичной продукции леса). Таким образом, каждый живой организм в составе экосистемы занимает определенную экологическую нишу (место) в сложной системе экологических взаимоотношений с другими организмами и абиотическими условиями среды.

• Что понимается под цепью питания и трофическим уровнем?

Ответ. Энергия, содержащаяся в органическом веществе одних организмов, потребляется другими организмами. Перенос веществ и заключенной в них энергии от автотрофов к гетеротрофам, что происходит в результате поедания одними организмами других, называется пищевой цепью. Совокупность организмов, объединенных одним типом питания и занимающих определенное положение в пищевой цепи, носит название трофический уровень. К одному трофическому уровню принадлежат организмы, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней.

Первый трофический уровень занимают автотрофы, зеленые растения (продуценты), первичные потребители солнечной энергии; второй - растительноядные животные (фитофаги, консументы первого порядка); третий - хищники, питающиеся растительноядными животными (консументы второго порядка), и паразиты первичных консументов; вторичные хищники (консументы третьего порядка) и паразиты вторичных консументов образуют четвертый трофический уровень. Организмы, стоящие на каждом трофическом уровне, приспособлены природой для потребления определенного вида пищи, в качестве которой выступают организмы предыдущего трофического уровня (или нескольких предыдущих уровней).

• Что представляют собой экологические пирамиды?

Ответ. Пищевые отношения в экосистеме графически изображаются в виде пирамид. Пирамиды биомассы и численности отражают общую закономерность: чем выше уровень, тем ниже масса организмов (биомасса) и их численность. Пирамида энергии иллюстрирует особенности перехода энергии с одного уровня на другой. Запас энергии, накопленный продуцентами, стремительно расходуется в цепях питания гетеротрофных организмов. Данный вид пирамид наиболее полно отражает связи между организмами разных трофических уровней и позволяет понять причины уменьшения численности и биомассы на последующих трофических уровнях.