Трансформація енергії у біосфері

Тема 3. Потік енергії в біоценозах, популяціях, екосистемах

Після вивчення матеріалу Ви повинні:

Знати:фактори, що спричиняють коливання чисельності популяцій; як трансформується енергія в екосистемах; що таке екологічні піраміди.

Вміти:пояснити які основні типи екологічних пірамід; що таке потік енергії; які принципи енергетичної класифікації.

Ключові поняття та терміни

закони термодинаміки трофічний рівень ентропія

правило 1 % екологічна ентропія потік енергії

правило 10 % піраміда чисел Елтона продуценти

піраміда енергії первинні консументи екологічні піраміди

редуценти вторинні консументи автотрофність людства

План (логіка) викладу і засвоєння матеріалу:

3.1. Рівні організації органічного світу

3.2. Трансформація енергії у біосфері

3.3. Поняття про екосистеми

3.4. Загальна схема трансформації енергії в екосистемах.

3.5. Класифікація екосистем

3.6. Енергетична класифікація екосистем.

3.7. Основні екосистеми світу

3.8. Ланцюги живлення та (екологічні) піраміди мас, чисел і енергії

3.1. Рівні організації органічного світу

Повітря і вода, рослинність і грунти, звірі й птахи та інші живі організ­ми утворюють взаємозв'язану і взаємозумовлену світову біосферу, яка підтримує все живе і яка, незважаючи на могутню життєздатність, складається з тен­дітних і надто уразливих систем, рівновага в яких дуже легко порушується. Природні системи досить різноманітні, вони складаються з величезної кількості різноорганізованих, взаємозумовлених і взаємозамінних компонентів, які об'єднані безліччю прямих і зворотних зв'язків. Незважаючи на те, що систе­ми досить різноманітні, їм притаманний ряд спільних рис:

— система — це цілісний комплекс взаємозв'язаних елементів, але знач­но складніший, ніж просто сума елементів;

— система утворює особливу єдність з середовищем;

—будь-яка досліджувана система є елементом системи більш високого рангу;

—в свою чергу елементи будь-якої досліджуваної системи звичайно виступають як система нижчого рангу.

На думку багатьох вчених, світ організований у вигляді ланцюжка, що складається з ланок зростаючої складності. Ця послідовність починається з елементарних частинок, з яких складається атом, йде до молекул, клітин і поширюється до складних індивідуумів (табл. 1).

Таблиця 1.

Рівні організації органічного світу

Основна група	Рівень
Біологічні мікросистеми	молекулярний (молекулярно-генетичний)
субклітинний
клітинний
Біологічні мезосистеми	тканинний
органний
організмовий
Біологічні макросистеми	популяційно-видовий
біоценотичний
еіосферний (глобальний)

Одиниці одного рівня організації є частинками, з яких утворюється наступний виший рівень. Молекули, об'єднуючись, утворюють клітини, клітини утворюють тканини і органи, які в свою чергу утворюють багатоклітинні організми, організми утворюють надорганізмові системи: види, популяції, біо­ценози, біогеоценози. Живе на нашій планеті — це окремі організми, особини. Кожен організм з однієї сторони складається з одиниць підпорядкованих йому рівнів організації (органів, клітин, молекул), з іншої — сам є одини­цею, що входить до складу надорганізмових біологічних макросистем (попу­ляцій, видів, біоценозів, екосистем, біосфери).

На всіх рівнях життя спостерігається певна впорядкованість, обмін речовин, енергії, інформації та ін. Завдяки обміну речовин та енергії встановлюється єдність живого з середовищем.

Трансформація енергії у біосфері

Живі організми постійно споживають енергію. Джерело енергії — Сонце. Живий світ Землі, її біосфера, складаються з організмів трьох основних типів. Потік енергії у біосфері має один напрямок: від Сонця через рослини (авто­трофи) до тварин (гетеротрофи), або від продуцентів до консументів.

Автотрофи (гр. autos + trophe — їжа, харчування) — це організми, які створюють органічні речовини з неорганічних у процесі фотосинтезу, використовуючи сонячну енергію. До автотрофів належать зелені вищі рослини, лишайники, водорості і бактерії, що мають фотосинтезуючі пігменти. В екології автотрофи називають також продуцентами (лат. proelucentis — той, що виробляє). Продуценти — це організми, що створюють органічну речовину за рахунок утилізації сонячної енергії, води, вуглекислого газу та мінеральних солей. До цього типу належать рослини, яких на Землі є близько 350000 видів. Продуценти утворюють складні сполуки, в яких у хімічних зв'язках зосереджена енергія, що вивільняється при розкладанні їх у процесі трав­лення у тварин та інших гетеротрофів.

Гетеротрофи (грець, heteros — різний + tropht — живлення) — це організми, що одержують енергію за рахунок харчування автотрофами чи іншими консументами. До них належать рослиноїдні тварини, хижаки й наразити, а також хижі рослини та гриби.

В екології гетеротрофів поділяють на консументів та редуцентів. Кон-сументи — це споживачі готової органічної продукції. Редуценти — це організми, які розкладають органічні речовини, це мінералізатори органіки.

Їх часто називають деструкторами. Потік енергії від рівня продуцентів супроводжується перетворенням енергії і великими її витратами: від одного рівня до другого біомаса і кількість енергії зменшується приблизно в 10 разів. Редуценти споживають частину поживних речовин, розкладають мертві тіла рослин і тварин до простих хімічних сполук (води, вуглекислого газу та мінеральних солей), замикаючи таким чином кругообіг речовин у біосфері.

Всі функції живих організмів у біосфері (утворення газів, окисні й відновні процеси, концентрація хімічних елементів тощо) не можуть виконуватися організмами якогось одного виду, а лише їх комплексом. Звідси випливає надзвичайно важливе положення, розроблене Вернадським: біосфера Землі сформувалася з самого початку як складна система, з великою кількістю видів організмів, кожен з яких виконує свою роль у загальній системі. Без цього біосфера взагалі не могла б існувати, тобто стійкість її існування була відразу започаткована її складністю. Отже, біосфера дуже неоднорідна. Вона складається з великої кількості різної величини угруповань.

3.3. Поняття про екосистеми

Екосистема (біогеоценоз) — основна одиниця біосфери, яка є об'єктом вивчення екології. Цей термін запровадив англійський біолог А. Тенслі у 1935 році. Екосистема — це просторова система, що охоплює історично сформова­ний комплекс живих істот, пов'язаних між собою трофічними зв'язками, та неживих компонентів середовища їх існування, які залучаються в процесі обміну речовин та енергії. У кожній екосистемі відбуваються кругообіг речо­вин та обмінні енергетичні процеси.

Кожна екосистема складається з біоценозу та біотопу.

Біотоп — це ділянка поверхні землі з більш-менш однотипними умовами існування (грунтом, мікрокліматом тощо).

Біоценоз — це історично сформована сукупність рослин, тварин та мікро­організмів, що населяє біотоп. Відповідно до цього кожний біоценоз скла­дається з фітоценозу (угруповання рослин), зооценозу (угруповання тварин) та мікробіоценозу (угруповання мікроорганізмів) (рис. 1.).

Рис. 1. Схема будови біоценозу (за В.М. Сукачовим)

Екосистема може бути різних розмірів і складності. Наприклад, можна говорити про екосистему лісу в цілому і про екосистему окремого пенька. Взаємодія організмів в екосистемі надзвичайно складна. Взаємодія біоценозів з біотопами відбувається через речовинно-енергетичний обмін. Для кожної екосистеми характерний свій біологічний кругообіг речовин, який здійснюється внаслідок існування в екосистемах трофічних ланцюгів (ланцюгів живлення).

Наприклад, у водоймах фітопланктон поїдається зоопланктоном, останній — дрібною рибою, що є здобиччю великих риб — хижаків, які в свою чергу споживаються людиною. Мова йде про певні угруповання рослин, тварин і мікроорганізмів, які взаємодіють один з одним і з навколишнім середови­щем. Дуже великі наземні екосистеми називають біомами. Наприклад, ліси помірного поясу, пустелі, хвойні ліси, савани тощо. Кожний біом включає в себе цілий ряд менших за розмірами взаємозв'язаних одна з одною екосис­тем. Одна з них може бути великою — площею декілька мільйонів квадрат­них кілометрів, інша може являти собою невелику галявину. Важливо те, що кожну екосистему можна визначити як більш-менш своєрідне угруповання рослин і тварин, які взаємодіють одне з одним і з довкіллям.

Структура екосистем. Щоб вияснити цілісність біосфери, необхідно з'ясувати, як вона функціонує. Оскільки вона складається з безлічі екосис­тем, необхідно знати їх структуру. У кожній екосистемі два основних компоненти: організми, з однієї сторони, і фактори неживої природи - з іншої. Таку сукупність організмів (рослин, тварин, мікроорганізмів) називають біотою (від лат. bio - життя) екосистеми. Шляхи взаємодії різних категорій організмів - це її біотична структура; неживі (хімічні і фізичні) фактори навколишнього середовища називають абіотичними.

Незважаючи на велику різноманітність екосистем — від пустель до тундри, всім їм, на думку екологів, властива приблизно однакова біотична структура. Іншими словами, всі вони містять одні й ті ж категорії організмів, які подібно взаємодіють у всіх екосистемах. Це такі категорії: продуценти, консументи, редуценти.

Одна з причин, що викликає різноманітність екосистем (біоценозів) у природі, — це своєрідність абіотичних умов кожного регіону.

Таким чином, незважаючи на різноманітність екосистем, всі вони мають спільні риси. У кожній із них можна виділити фотосинтезуючі рослини — продуценти, різні типи консументів і редуцентів.

Важливим елементом біотичної структури екосистем є своєрідність лан­цюгів живлення в кожній з них.