Биотическая структура экосистем

Несмотря на огромное многообразие экосистем, с точки зрения экологии всем им свойственна примерно одинаковая биотическая структура. Все экосистемы включают одни и те же основные категории организмов, взаимодействующих друг с другом стереотипным образом: продуценты и консументы.

Продуценты, или автотрофы (самопитающиеся) – это организмы, производящие органические соединения, используемые ими как источник энергии и питательных веществ. Большинство продуцентов – зеленые растения, создающие органические вещества в процессе фотосинтеза. Растения используют солнечную энергию для получения углеводов (глюкозы, крахмала, целлюлозы) из углекислого газа. Т.е. превращают солнечную энергию в энергию химических связей органических веществ. При этом выделяется кислород – побочный продукт фотосинтеза.

6СО₂ + 6Н₂О (hν) ® C₆H₁₂O₆ + 6O₂

хлорофилл

где h = 6,626∙10^-34 Дж∙с – постоянная Планка;

ν – частота колебаний, 1/с.

Все углеводы делятся на две группы: простые углеводы (моносахариды, или монозы) и сложные углеводы (полисахариды, или полиозы).

Общая формула моносахаридов C_nH_2nO_n. В природе чаще встречаются пентозы C₅H₁₀O₅ и гексозы C₆H₁₂O₆. Гексозы: глюкоза, фруктоза, галактоза.

Общая формула полисахаридов (C₅H₁₀O₅)_n. Полисахариды: крахмал и целлюлоза (клетчатка).

Общая формула дисахаридов (биозов) C₁₂H₂₂O₁₁. К ним относятся: сахароза (свекловичный или тростниковый сахар), лактоза (молочный сахар), мальтоза (солодовый сахар), целлобиоза и др.

Накопленная химическая энергия, созданная в результате фотосинтеза, является прямым или косвенным источником питания для большинства организмов.

Некоторые продуценты, в основном бактерии, способны поглощать из окружающей среды неорганические соединения и преобразовывать их в органические питательные вещества без солнечного света. Этот процесс наз. хемосинтезом.

Консументы, или гетеротрофы (питающиеся другими) – организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию, питаясь напрямую или косвенно продуцентами.

В зависимости от источников питания консументы, питающиеся живыми организмами, подразделяются на три класса:

∙ фитофаги (растительноядные) – это консументы 1-го порядка, питающиеся исключительно живыми растениями. Напр., птицы, олени, зайцы, насекомые.

∙ хищники (плотоядные) – это консументы 2-го порядка, которые питаются исключительно растительноядными животными (фитофагами), а также консументы 3-го порядка, питаются только плотоядными животными.

∙ эврифаги (всеядные) – могут питаться как растительной, так и животной пищей. Напр., свиньи, крысы, таракана, а также человек.

Консументы, питающиеся остатками мертвых растений или животных, называются редуцентами. Существуют два основных класса редуцентов: детритофаги и деструкторы.

Детритофагипитаются мертвыми растительными и животными остатками, т.е. детритом, например, грибы, раки, грифы, муравьи, шакалы, черви.

Большая часть мертвой материи в экосистеме, особенно деревья и листья, проходят стадии разложения и гниения, в результате сложные органические соединения делятся на простые неорганические. Это осуществляется деструкторами(грибы и микроскопические одноклеточные бактерии).

Рисунок 2 ‑ Функциональная структура экосистемы и потоки вещества в ней.

ПИЩЕВЫЕ ЦЕПИ

В биологической структуре экосистем к числу важнейших взаимоотношений между организмами относятся пищевые. Можно проследить бесчисленные пути вещества в экосистеме, при которых один организм поедается другим, тот – третьим и т.д. Ряд таких звеньев называется пищевой цепью. Но в экологической системе практически все пищевые цепи соединены между собой и образуют сложную цепь пищевых взаимоотношений. Продуценты, консументы и редуценты – разные уровни этой общей цепи. Эти уровни называются трофическими, что означает пищевые.

Пищевые цепи – это путь однонаправленного потока высокоэффективной солнечной энергии, поглощенной в процессе фотосинтеза, через живые организмы экосистемы в окружающую среду в виде низкоэффективной тепловой энергии. Пищевые цепи – это также движение питательных веществ от продуцентов к консументам и, далее, к редуцентам и обратно к продуцентам.

Движение энергии в экосистемах осуществляется двумя типами пищевых сетей – пастбищной и детритной. В первой участвуют продуценты и консументы, во второй – редуценты.

Все организмы,пользующиеся одним видом пищи, принадлежат к одному трофическому уровню. Продуценты – к первому уровню, первичные консументы, питающиеся продуцентами, ‑ ко второму трофическому уровню, хищники – к третьему и т.д.

Солнечная энергия по мере прохождения по цепям питания в соответствии со вторым законом термодинамики теряет свое качество, постепенно превращаясь в низкоэффективную тепловую энергию. Энергия, полученная живыми организмами, используется на каждом трофическом уровне для строительства собственной биомассы и на клеточное дыхание, в результате которого органические соединения разлагаются на углекислый газ и воду:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6СО₂ + 6Н₂О + Q

Этим уравнением и уравнением фотосинтеза характеризуется “малый круг” углеродного цикла, являющийся составной частью круговорота элементов в биосфере.

По мере движения энергии по пищевой цепи количество высококачественной энергии снижается. В среднем около 1% энергии высокого качества расходуется на построение собственной биомассы на каждом трофическом уровне и около 10% передается на следующий трофической уровень.

Указанные соотношения известны в экологии, как “правило одного процента” и “правило десяти процентов”, а схема движения энергии по трофическим уровням получила название экологической пирамиды энергетических потоков. Каждый трофический уровень в ней изображается прямоугольником, у которого длина большей стороны пропорциональна количеству энергии, накопленной на этом уровне единицей объема в единицу времени. Поскольку количество энергии по мере движения по пищевой цепи убывает, экологическая пирамида имеет вид треугольника с вершиной, обращенной вниз.

В экологии известны еще два вида пирамид ‑ пирамиды численностей и биомасс. Пирамиды биомасс характеризуют содержание сухих органических веществ на каждом трофическом уровне. Размер каждого слоя в пирамиде пропорционален сухой массе всех организмов, обитающих на единице площади (объема) каждого уровня определенной экосистемы. Для большинства наземных экосистем суммарная биомасса снижается по мере возрастания трофических уровней, в водных экосистемах биомасса фитопланктона (продуцент) может быть меньше биомассы зоопланктона.

Накопление растениями химической энергии можно считать полезной работой. Скорость, с которой накапливается химическая энергия в биомассе, называется чистой первичной продуктивностью. Она определяется, как разность между скоростью накопления энергии и скоростью использования части этой энергии в процессе клеточного дыхания.

Пищевая пирамида

ТЕМА 4.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ПРИНЦИПЫ И ЗАКОНЫ ЭКОЛОГИИ.

1. Закон минимума Либиха.

2. Закон толерантности Шелфорда.

3. Законы Б. Коммонера.

4. Правило Ле Шателье - Браун.

5. Закон экологической сукцессии.

6. Закон гомеостаза.

7. Закон квантитативной компенсации.

ЗАКОН МИНИМУМА Ю. ЛИБИХА.

В 1840 году немецкий химик Юстус фон Либих, выращивая растения на синтетических средах, обнаружил, что для нормального роста растения необходимо определенное число и количество химических элементов и соединений. Одни из них должны находится в среде в очень больших количествах, другие в малых, а третьи вообще в виде следов. И, что особенно важно: одни элементы не могут быть заменены другими. Среда, содержащая все элементы в изобилии, кроме одного, обеспечивает рост растения лишь до того момента, пока количество последнего не будет исчерпано. Рост ограничивается, таким образом, нехваткой единственного элемента, количество которого было ниже необходимого минимума. Этот закон, сформулированный Ю. Либихом применительно к роли химических эдафических факторов в жизни растений и названный им законом минимума, имеет, как выяснилось позже, универсальный экологический характер и играет важную роль в экологии

Закон минимума: «Если все условия окружающей среды оказываются благоприятными для рассматриваемого организма за исключением одного, проявленного недостаточно (значение которого приближается к экологическому минимуму), то в этом случае это последнее условие, называемое лимитирующим фактором, приобретает решающее значение для жизни или смерти рассматриваемого организма, а, следовательно, его присутствия или отсутствия в данной экосистеме».