Поступление солнечной энергии и продуктивность

Этапы преобразо- вания энергии	Лучистая энергия Солнца	Поглощено на автотрофном уровне	Валовая первичная продукция	Чистая первичная продукция
Максимум Среднее в благоприятных условиях Среднее для биосферы		<50	0,2	0,5   0,1

Впервые оценить первичную продуктивность глобальных экосистем смог в 1862 г. основоположник агрохимии и физиологии питания растений Ю. Либих. По его оценкам биомасса всей суши равна 10¹¹ т/год. Эта величина согласуется с данными других авторов, полученными позже. Биомассой называется выраженное в единицах массы или энеpгии количество живого вещества тех или иных оpганизмов, приходящееся на единицу площади или объема. Общая же валовая продукция по данным Либиха имеет 10¹⁸ ккал/год

(рис. 13).

Обширные пространства Земли попадают в категорию низкопродуктивных из-за таких ограничивающих факторов, как вода или биогенные элементы. Продуктивность варьирует примерно на 2 порядка. За верхний предел валовой продукции фотосинтеза для практических расчетов принимают величину 50000 ккал/(м² ·год).

2.8. Экологические пирамиды

Биомасса живых оpганизмов в экосистеме на pазличных трофических уровнях различна, причем она уменьшается с повышением трофического уровня. Каждое сообщество приобретает определенную трофическую структуру, которая часто служит характеристикой типа экосистемы (озера, леса, пастбища и т.д.). Трофическую структуру можно выразить или урожаем на корню на единицу площади, или количеством энергии, фиксируемой на единице площади в единицу времени на последовательных трофических уровнях.

Трофическую структуру и трофическую функцию изображают графически в виде экологических пирамид. Основанием пирамид служит уровень продуцентов, а последующие уровни образуют этажи и вершину пирамиды.

Различают 3 типа экологических пирамид:

1) пирамиды численностей, отражающие численность отдельных организмов;

2) пирамиды биомасс, характеризующие общую сухую массу или калорийность общего количества живого вещества;

3) пирамиды энергии, показывающие величины потоков энергии на последовательных трофических уровнях.

Биомасса резко падает при переходе от трофического уровня к уровню. Именно поэтому число звеньев в пищевой цепи ограничено и невелико. В противном случае численность живых оpганизмов на высоком трофическом уровне была бы недостаточной для существования вида.

Рассмотрим пирамиду энергии.

Подобные пирамиды используют для расчета необходимых площадей под сельскохозяйственные культуры с тем, чтобы обеспечить скот кормами, а человека - продуктами животноводства.

Биомасса

(относительные единицы)

СО2 Продуценты H2 О
	Консументы 1 порядка	1 - 3
	Консументы 2 порядка	0,1 - 0,6
	Консументы 3 порядка	0,01 - 0,1
	Редуценты

Тpофические уровни и пирамида биомасс

	Прибавка тканей человека 3,5 ·104 Дж
	Продуцировано телятины 5 ·106 Дж
	Продуцировано люцерны 6,2 ·107 Дж
Получено солнечной энеpгии 2,6 ·1011 Дж

Экологическая пирамида энергии для сельскохозяйственной системы (по Одуму)

Р. Линдеман (1942) сформулировал закон пирамиды энергий, или правило 10%:

с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой, более высокий ее уровень (по «лестнице» продуцент — консумент — редуцент), в среднем около 10% энергии, поступившей на преды­дущий уровень экологической пирамиды.

На самом деле потеря бывает либо несколько меньшей, либо несколько большей, но порядок чисел сохраняется.

Обратный поток, связанный с потреблением веществ и продуцируемым верхним уровнем экологической пирамиды энергии более низкими ее уровнями, например, от животных к растениям, намного слабее — не более 0,5% (и даже 0,25%) от общего ее потока, поэтому говорить о круговороте энергии

в биоценозе не приходится.

Далее рассмотрим концентрацию токсикантов в пищевых цепях.

Под токсикантами окружающей среды понимают такие вредные вещества, которые распространяются в окружающей нас среде далеко за пределы своего первоначального местонахожде­ния и в связи с этим оказывают более или менее скрытое вредное воздействие на животных, растения и человека.

Это могут быть природные ядовитые вещества, например те, что рассеиваются по Земле в результате выделения газов вул­канами, однако подлинные токсиканты - это, как правило, те ядовитые вещества, которые сам человек неосмотрительно вклю­чает в круговорот природы.

Основное ядро токсикантов окружающей среды составляют тяжелые металлы, и пестициды. Их называют биоцидами. Бисщыд - агент, вещество, физическое воздействие, способные уничто­жать живое.

Рассмотрим накопление тяжелых металлов в пищевых це­лях на примере ртути. Ни один современный биоцид не изучен так хорошо, как ртуть, в отношении своей циркуляции в пищевых цепях и зависящей от нее опасности для человека и животных. Соединения ртути применяются в качестве фунгицидов (для про­травливания посевного материала), при производстве бумажной массы, в качестве катализаторов. Из всего количества ртути, ко­торое мы получаем с пищей, примерно половина приходится на продукты животного происхождения и 1/3 - на растительную пищу. Всего в мире производится ежегодно 9000 т ртути, из них 5000 т оказывается в океанах. Из воды она поглощается планкто­ном, далее - зоопланктоном, рыбой, хищной рыбой, хищными птицами. Было замечено, что рыбы, отравленные метилртутыо, теряют координацию движения, отстают от косяка и легко стано­вятся добычей, например, хищных птиц.

Метилртуть в наземных пищевых цепях. В послевоенные годы в Швеции в результате проводившеюся во все возрастаю­щих масштабах протравливания зернового посевного материала метилртутьцианамидом, концентрация ртути в семенном мате­риале достигла 15-20 мг/кг. К началу 50-х годов стали выявляться потери среди зерноядных птиц - голубей, фазанов, домашних кур, серых куропаток и овсянок. Вторым звеном этой пищевой цепи, загрязненной ртутью, были хищные птицы и совы, питаю­щиеся зерноядными птицами: пустельга, ястреб, сокол-сапсан, филин. Эти виды погибли или перестали размножаться. Когда стало очевидно, что гибель диких птиц обусловлена ртутным oтравлением, органы власти еще не проявили должного внимания. Они забеспокоились только тогда, когда в куриных яйцах были найдены высокие концентрации ртутных остатков, т.е. конечным звеном одной из пищевых цепей стал человек. Надо сказать, что в Финляндии, где зерно протравливали алкоксиалксилатом ртути (в Дании - фенилртутью), такой катастрофы не было, т.к. эти со­единения быстрее метаболизируются в организме.

Метилртуть в водной пшцевой цепи. Ртуть может попадать в водоемы в самых различных формах и из самых различных ис­точников. В количественном отношении на первое место, вероят­но, выходят сточные воды химических предприятий. Однако нельзя исключить то, что вода омываег посевное зерно. Так как в водной среде значительная часть ртути преобразуется в метилртуть, в пищевые цени вновь попадает именно это высокосоксичное и стойкое соединение.

Ртуть аккумулируется в планктонных организмах (напри­мер, водорослях), которыми питаются ракообразные. Ракообраз­ных поедают рыбы, а рыб — птицы. Конечными звеньями пище­вых цепей нередко бывают чайки, чомги, скопы, орланы-белохвосты.

Место ракообразных в намеченных пищевых цепях могут занимать брюхоногие или двустворчатые моллюски, а после многих рыб в качестве концевых звеньев следуют хищные рыбы. Человек в эти пищевые цепи может включаться на любам этапе, но большей частью это происходит в результате потребления ры­бы. По данным ученых, в 1980 г. щуки из Балтийского моря со­держали около 5 мг/кг ртути (возле Стокгольма). Если кошек кормили мясом этих щук, они умирали через 2-3 месяца от ртут­ного отравления. Для рыб летальной дозой ртуги считается 20 мг/кг. За естественное содержание ртути в рыбах принимают величину 0,1-0,2 мг/кг. Всемирная организация здравоохранения предложила считать предельно допустимой концентрацией в мя­се рыб 1 мг/кг. В Финляндии рекомендуют есть рыбу 1 -2 раза к неделю, а беременным женщинам вообще воздержаться от ее по­требления. 1 мг/кг ограждает человека только от острого отрав­ления ртутью, но от других последствий - нет (например, гене­тических). Разлагающиеся трупы рыб все еще могут передавать свою ртуть в пищевую цепь насекомых. Если муравьи поедают рыбу, содержащую ртуть, то они сами становятся носителями ртути. Это относится к личинкам мух, но мухи не передают ртуть яйцам, т.к. период полураспада ртути у них составляет всего 2 дня. Но если мух за это время поедят жуки, или другие насеко­мые, то биоакумуляция ртути продолжается.

В выявлении путей миграции ртути в водной пищевой цени и одновременно в исследовании метил ртути как биоцида ре­шающую роль сыграла так называемая минаматская катастрофа в Японии. На химической фабрике в устье реки Минамата ртуть применялась в качестве катализатора для получении поливинил-хлорида. Стоки, содержащие ртуть, попадали в реку, а из реки - в бухту возле города. Количество ртути в рыбе составляло 5-20 мг/кт, поэтому рыба уже была не в состоянии нормально плыть. Молодежь из бедных семей легко могла добыть себе дешевый обед. Лишь после смерти нескольких человек (вообще число умерших превысило 200 человек, а заболевших — тысячи) было обнаружено, что болезнь Минаматы — ртутное отравление. После судебного процесса фабрика была закрыта, бухта Минамата осушена и ил со дна бухты уничтожен.

В водных пищевых цепях концентрация метилртути от зве­на к звену увеличивается, т.к. метилртуть растворима в жирах. Поскольку период биологического полураспада, особенно в орга­низмах с низкие уровнем обмена веществ, длителен (у человека он равен 70 дням), яд не выделяется, а накапливается в организме. Вообще морские организмы активно концентрируют микроэлементы, тяжелые метал­лы, в том числе ядовитые (ртуть, свинец, мышьяк), радиоак­тивные элементы. Их концентрация в теле беспозвоночных и рыб может в сотни тысяч раз превосходить содержание в морской воде. Благодаря этому морские организмы полезны как источник микроэлементов, но вместе с тем употребление их в пищу может грозить отравлением тяжелыми металлами или быть опасным в связи с повышенной радиоактивностью. (Япония –кадмий, ПДК)

Опасность метилртути для человека. Усиленное потреб­ление рыбы человеком даже при относительно низкой концен­трации в ней метилртути (например, 0,8 мг/кг у окуня или 1,6 мг/кг у щуки) приводит к отложению ртути в волосах в коли­честве 50 мг/кг. При таком содержании ртути начинают отчетли­во проявляться заболевание. Волосы у человека могут быть свое­образным индикатором ртутного отравления. Так, содержание 10 мг/кг считается еще безопасным. Ртуть вызывает в клетках по­ломку хромосом. У детей с врожденным отравлением ртутью на­блюдается высокая частота уродств. У взрослых, отравленных органическими соединениями ртути, наблюдается поражение мозга - ограничение полей зрения вплоть до слепоты, нарушение координации движений, не позволяющие больным ходить.