Энергетика экосистем

 

РЕЗЮМЕ К  ГЛАВЕ 2

Из данной главы мы узнали, что главным источником любой экосистемы является солнечная  энергия, которая теряется по мере движения ее к земле и в итоге растениями фиксируется всего 0,1 % всей энергии. Энергия в экосистеме движется по трофическим цепям, которые образуются из трофических уровней- продуценты, редуценты, консументы разных порядков. Трофические цепи есть двух видов-пастбищные,начинающиеся с растений-фитофагов и детритные, начинающиеся с паразитирующих организмов. По той причине, что продукция организмов каждого последующего трофического уровня всегда меньше (в среднем в 10 раз) продукции предыдущего, т. е. масса каждого последующего звена в цепи питания прогрессивно уменьшается. Эта закономерность получила название правило экологической пирамиды. Различают 3 вида экологических пирамид- пирамиды биомасс,чисел и энергии, последняя из которых наиболее полно отражает картину организации всей экосистемы.

 

ГЛАВА 3 ЭНЕРГЕТИКА ОТДЕЛЬНЫХ  ЭКОСИСТЕМ

РАЗДЕЛ 1 ЭНЕРГЕТИКА ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ

В водных и, в частности, морских  экосистемах пищевые цепи хищников, как правило, длиннее, чем в наземных. Широко распространен тип пищевых  отношений, представленный на рис. 8 и таблице.

пищевые цепи в наземной и водной экосистемах                                Рис.8

 

 

        

 

На данном рисунке: I — продуценты; II — травоядные; III, IV, V — плотоядные; 0 — деструкторы

         Структура пищевой цепи в морской экосистеме                            Таблица

 

Трофический уровень	Экологическая функция	Тип организма	Вид
I   II     III     IV     V	Продуцент .¯ Консумент 1 (травоядное) ¯ Консумент 11 (плотоядное 1) . ¯ Консумент III (плотоядное 2) ¯ Консумент IV (плотоядное 3)	Фитопланктон ¯ Зоопланктон ¯   Рыбы (микрофаги) ¯   Рыбы (макрофаги) ¯   Птицы (ихтиофаги)	Chaetoceros ¯ Calanus (веслоногие рачки)  ¯ Ammodytes (песчанка)   ¯ Clupea (сельдь) ¯   Phalacrocorax (баклан)

 

 

 

Для водных экосистем закономерности соотношения  биомасс на различных трофических  уровнях имеют свою специфику. Здесь  пирамида биомасс как бы перевернута  (Рис.8.), то есть биомасса животных, потребляющих растительную продукцию, больше биомассы растительных организмов. Причина этого - резкие различия в продолжительности жизни организмов сравниваемых уровней. Первый уровень (продуценты) представлен в основном фитопланктоном с крайне коротким периодом жизни (несколько дней или часов), второй - более долгоживущими организмами - зоопланктоном или другими животными, питающимися фитопланктоном и зоопланктоном (рыбы, моллюски, киты и т. п.). Они накапливают биомассу годами и десятилетиями.

пирамиды энергии и продукции для экосистем суши и океана - а и биомасс для экосистем океана — б

Рис.9

 

 

РАЗДЕЛ 2 ЭНЕРГЕТИКА ЭКОСИСТЕМ ТРОПИЧЕСКОГО ЛЕСА

  На всех континентах и островах с экваториальным климатом запасы биомассы и первичная продукция экосистем весьма сходны (см. карты - на с. 62-65). Сухая биомасса равна 50-70 кг/м² (т. е. 500-700 т/га, или 50-70 тыс. т/км²). Из года в год в зрелых сообществах общий запас биомассы не изменяется, несмотря на то, что ежегодно образуется новое органическое вещество. Следовательно, эквивалентное количество органического вещества разлагается обратно в неорганическое. Ежегодно с помощью фотосинтеза образуется около 10 кг/м² сухого органического вещества, из этого количества примерно половина уходит на дыхание самих фотоавтотрофов. Около 5 кг/м² в год формирует чистую первичную продукцию, которую в течение года используют гетеротрофные организмы биоценоза.

Современный уровень наших знаний о потоке энергии экосистемы дождевого леса на гетеротрофных уровнях позволяет  наметить только самые общие закономерности Менее 10% первичной продукции используется в «живом» виде, т. е. потребляется хлорофитофагами. Ряд измерений  в гилеях Америки и Африки показал, что позвоночные животные непосредственно  потребляют около 2% (из них птицы - не менее 0,1%) чистой продукции экосистемы. Бо́льшую часть ее используют насекомые-хлорофитофаги. Около 90% чистой продукции зеленых  растений сначала переходит в  опад и отпад, т.е. сначала отмирает, а уже затем потребляется и, соответственно, разлагается сапротрофами, в первую очередь термитами и грибами. Освобожденные неорганические вещества используются растениями и опять включаются в общий фонд биомассы уже в виде органических соединений.

основные потоки превратимой энергии в экосистеме влажного вечнозеленого тропического леса Южной Америки

Рис.10

 

Детальное исследование дождевых лесов  необходимо для построения различных  теоретических концепций, нужных для  сознательного использования ресурсов биосферы. В то же время массивы  влажных тропиков представляют собой  мощный генератор кислорода. Это - легкие Земли. Однако за последние десятилетия  масштабы деградации и исчезновения дождевых лесов внушают большую  тревогу. Надо надеяться, что число  заповедников и национальных парков, охраняющих биом дождевых лесов, будет  возрастать, а их общая площадь  приблизится к 10% от площади, потенциально занятой этими сообществами. Именно такая доля заповедности признается необходимой для сохранения самых  сложных и богатых биоценозов суши, которые еще таят в себе множество нераскрытых тайн.

РЕЗЮМЕ  К ГЛАВЕ 3

В данной главе мы выяснили основные отличия протекания энергетических процессов в водной и наземной экосистемах,экологическая пирамида в водных экосистемах будет перевернутой, что объясняется больших количеством планктона и его непродолжительной жизнью и меньшим количеством крупных животных с длительной продолжительность жизни, также на примере самой продуктивной экосистемы рассмотрели её потоки энергии и очень разнообразную трофическую сеть. 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Энергетика  экосистем - это обеспечение экосистем  энергией и ее использование. В экосистемах  различаю следующие энергетические процессы:  
-получение энергии солнечной радиации (фотосинтез) или энергии реакций окисления неорганических веществ (хемосинтез);  
-транспорт энергии по трофическим цепям;  
-использование энергии организмами для их жизнедеятельности и продуцирования биомассы. 

Трофические цепи и сети показывают схему движения органического вещества в экосистеме. Но вместе с веществом по цепям  питания идет направленный поток  энергии. Источником исходной энергии  является Солнце, энергия которого необходима организмам для обеспечения  жизнедеятельности. Любое количество органического вещества содержит некоторое  количество биохимической энергии, которая извлекается путем разрушения химических связей в веществе при  использовании его в качестве пищи, для чего также необходимо определенное количество энергии. Рассмотрение процессов в экосистемах в  энергетическом аспекте позволяет  более полно изучить процессы функционирования природных и социоприродных экосистем. В связи с этим комплексное  научное направление в экологии, рассматривающее энергетические процессы в экосистемах, называют энергетикой  экосистем.

Известно, что  1 грамм сухого вещества растения содержит (условно) 18,7 кДж биохимической энергии. Консументы, получая энергию в виде органического вещества пищи от продуцентов, используют ее на:

- построение своего собственного  органического вещества (белки, жиры, углеводы);

- расщепление органического вещества  пищи;

- дыхание, теплоотдачу, движения  по поиску пищи и спасения  от врагов и др.

При переходе с трофического уровня экологической пирамиды на каждый последующий уровень в трофической цепи передается в среднем около 10% энергии без каких-либо неблагоприятных последствий для экосистемы. Здесь имеется в виду часть энергии, поступающей с пищей, которая используется организмом для построения органического вещества своего собственного тела.

Для наглядного представления о величине коэффициента передачи энергии с уровня на уровень  в цепях питания экосистем  используют экологические пирамиды нескольких видов. Экологическая пирамида – это графическое (или диаграммное) представление соотношения между  объемами органического вещества или  энергии на соседних уровнях в  трофической цепи. Наибольшее распространение  получили следующие виды экологических  пирамид:

- пирамиды чисел Элтона;

- пирамиды биомасс;

- пирамиды энергии.

Пирамиды  чисел Элтона представляются в виде среднего числа особей, требуемых для питания организмов, находящихся на последующих трофических уровнях. Пирамиды биомасс и энергии выражают соотношения количества биомассы или энергии на каждом трофическом уровне. Пирамида биомасс основана на отображении результатов взвешивания сухой массы органического вещества на каждом уровне, а пирамида энергии – на расчетах биохимической энергии, передаваемой с нижележащего на вышележащий уровень.

Закономерности потока и рассеивания  энергии имеют важные в практическом отношении следствия. Во-первых, с  энергетической точки зрения крайне нецелесообразно потребление животной продукции, особенно с высоких уровней цепей питания. Образование этой продукции связано с большими потерями (рассеиванием) энергии. Особенно велики потери энергии при переходе с первого трофического уровня на второй, от растений к травоядным животным.

Во-вторых, чтобы сократить вероятность  дефицита продуктов питания для  интенсивно возрастающей численности  населения (по закономерности, близкой  к экспоненте), надо, чтобы в рационе  людей больший удельный вес занимала растительная пища. Энергетически идеально - вегетарианство.

В-третьих, для увеличения КПД использования  пищи при получении животноводческой продукции в условиях культурного хозяйства очень важно уменьшить основную статью нерационального расходования энергии - ее траты на дыхание. Это возможно за счет поддержания оптимального температурного режима в животноводческих помещениях, ограничения подвижности животных и, естественно, сбалансированности кормового рациона по различным элементам питания, а также применения различных биотехнических приемов (умеренные добавки стимуляторов роста, веществ, способствующих улучшению аппетита и т. п.).

Споры о допустимо возможной  численности населения с точки  зрения обеспечения питанием в значительной мере относительны, если они не учитывают, какой в среднем удельный вес  в рационе отводится животной и растительной пище. Если исходить из рациона питания зажиточной части населения, потребляющей мяса 80-100 кг в год на одного человека, то явно невозможно обеспечение таким рационом современной численности населения Земли (около 6 млрд. человек). Если же исходить из необходимости обеспечения минимальных потребностей жизнедеятельности организма, при настоящем производстве продуктов питания возможно исключить голод и, кроме того, прокормить на 3-4 миллиарда населения больше современного. Для этого требует решения вопрос более сбалансированного распределения продуктов питания. Переход на вегетарианство и тем более расширение ассортимента растений, используемых в пищу, может обеспечить жизнедеятельность (с энергетической точки зрения) численности населения в 2-3 раза больше современной. Ясно, однако, что при этом останутся нерешенными многие медико-биологические проблемы здоровья и долголетия, а также допустимые пределы антропогенных нагрузок на экосистемы и биосферу в целом.

 
 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Чернова Н.М., Былова А.М. Общая экология. – М.: Дрофа, 2007.
2. Бигон М., Харпер Дж., Таунсенд К. Экология. Особи, популяции и сообщества: в двух томах. - М.: Мир, 1989.
3. Одум Ю. Основы экологии. - М.: Мир, 1975.
4. Одум Ю. Экология: в 2-х томах. М.: Мир, 1986.
5. Воронков Н.А. Основы общей экологии: Учебник для студентов высших учебных заведений. Пособие для учителей. - М.: Агар, 1999.
6. Степановских А.С. Экология: Учебник для вузов. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001.
7. Радкевич В. А . Экология: Учебник. -4-е изд., стер. –Мн.: Выш. шк., 1998
8. Реймерс Н. Ф.Экология (теории, законы, правила, принципы и гипотезы). – М.: Изд-во Россия Молодая, 1994
9. Маглыш С.С. Общая экология.Учебное пособие.-Гродно,2001
10. http://wikipedia.ru