Обмін речовин та потік енергії в екосистемі.

Для підтримання круговороту речовин у системі необхідна наявність запасу неорганічних молекул в освоюваній формі і трьох функціонально різних екологічних груп організмів: продуцентів, консументів і редуцентів.

Продуцентами в екосистемі є автотрофні організми, які синтезують з неорганічних сполук органічні речовини з використанням сонячної енергії або енергії, що виділяється під час хімічних реакцій (хемотрофи). Це вищі рослини та мікроорганізми (бактерії). вищі рослини синтезують з неорганічних сполук органічні речовини, використовуючи сонячну енергію. Бактерії (водневі, нітрифікуючі, сіркобактерії, залізобактерії…) внаслідок своєї діяльності синтезують органічні речовини з вуглекислого газу, використовуючи енергію, вивільнену при окисленні аміаку, сірководню сірки, азотної килоти…

Консументи – це гетеротрофні організми (живляться органічною речовиною), які вживають органічну речовину продуцентів або інших консументів і трансформують її у нові форми. Це всі тварини, частина мікроорганізмів, паразитичні та комахоїдні рослини.

Редуценти живуть за рахунок мертвої органічної речовини, переводячи її знову в неорганічні сполуки. До цієї групи належать головним чином бактерії і гриби, які перетворюють складні органічні сполуки в прості неорганічні. Класифікація, звичайно, відносна, оскільки й консументи, і самі продуценти виступають частково в ролі редуцентів, протягом життя виділяючи в навколишнє середовище мінеральні продукти обміну речовин.

Організми в екосистемі зв’язані з неорганічним середовищем тісними матеріально-енергетичними зв’язками. Так, рослинні організми можуть існувати лише при наявності необхідної кількості вуглекислого газу, води, кисню, мінеральних солей. Гетеротрофні організми живляться автотрофами, крім того, їм необхідні кисень і вода.

Таким чином, завдяки матеріально-енергетичним зв’язкам організми одержують необхідні елементи живлення, воду і енергію, а виділяють в середовище органічні сполуки. Органічні речовини надходять в навколишнє середовище як за життя організмів (дихання, екскремація, дефекація), так і після їх відмирання (розкладання трупів та їхніх решток). Продукти розкладу знову надходять для живлення продуцентів. Отже, постійно відбувається біологічний кругообіг речовин, завдяки якому організми утворюють з неорганічним середовищем екосистему, в якій потік речовин і енергії замикаються в кругообіг.

Кругообіг атомів може підтримуватись в системі й без проміжної ланки – консументів, за рахунок діяльності двох інших груп. Однак такі екосистеми зустрічаються скоріше як виняток. Роль консументів виконують у природі в основному тварини, і їхня діяльність, спрямована на підтримання й прискорення циклічної міграції атомів, в екосистемах складна і різноманітна.

Розміри екосистеми в природі неоднакові. Нею може бути пеньок з його населенням, озеро чи ставок, ділянка лісу, степу, болота, а також біосфера. Різна також ступінь замкненості біологічного кругообігу, або ступінь збалансованості екосистеми. Деякі системи (лісові, лучні, степові, озерні…) мають більш-менш збалансований кругообіг речовин, іншим наприклад річковим потокам, крутосхилам властиве винесення речовин, і стабільність їх підтримується за рахунок притоку такої самої речовини ззовні. Тобто стабільність цих екосистем підтримується за допомогою міжекосистемних зв’язків, завдяки яким вони обмінюються речовиною та енергією між собою.

Підтримання життєдіяльності організмів і кругообіг речовини в екосистемах можливі тільки за рахунок постійного припливу енергії. Екосистема – відкрита система. Все життя на Землі існує за рахунок енергії сонячного випромінювання, що фотосинтезуючими організмами переводиться в хімічні зв’язки органічних сполук. Гетеротрофи одержують енергію з їжею. Всі живі істоти є об’єктами живлення інших, тобто пов’язані між собою енергетичними відносинами. Живильні зв’язки в угрупованнях – це механізми передачі енергії від одного організму до другого. Енергія проходить через живу оболонку планети і утворює потік енергії.

Трофічні зв’язки в екосистемі переплетені в складну мережу. Складається враження, що енергія, яка надходить в трофічні мережі може довго мігрувати від одного організму до іншого.

Насправді ж шлях кожної конкретної порції енергії, нагромадженої зеленими рослинами, короткий. Вона може передаватись не більш ніж через 4-6 ланок ряду, який складається з організмів, які послідовно живляться один одним. Такі ряди, в яких можна простежити шляхи витрачання початкової дози енергії, називають л а н ц ю г а м и ж и в л е н н я.

Місце кожної ланки в ланцюгу живлення називають т р о ф і ч н и м р і в н е м.

Ланцюги живлення поділяють на пасовищні (або ланцюги поїдання) і детритні (ланцюги розкладу). Пасовищні ланцюги живлення охоплюють зелені рослини, рослиноїдних тварин і хижаків, які поїдають травоїдних. Детритні ланцюги живлення – мертву органічну речовину, детритофагів та їх хижаків.

Здебільшого в екосистемах наявні і пасовищні і детритні ланцюги живлення.

Трофічні рівні в екосистемі представлені продуцентами (тими, які створюють) і консументами (тими , які споживають біомасу). До першого трофічного рівня належать автотрофні організми. Це переважно зелені рослини, які здатні за допомогою сонячної енергії нагромаджувати прості органічні речовини, перетворювати їх у складні органічні сполуки, утворюючи первинну біологічну продукцію.

На другому трофічному рівні перебувають консументи першого порядку, або фітофаги (рослиноїдні тварини).

До третього трофічного рівня належать консументи другого порядку (м'ясоїдні організми, які живляться рослиноїдними, або первинні хижаки і паразити на фітофагах).

На четвертому трофічному рівні – консументи третього порядку (вторинні хижаки, які поїдають первинних хижаків і паразити на останніх).

Трофічні ланцюги живлення ґрунтуються на другому законі термодинаміки, за яким деяка частина енергії завжди розсіюється і стає недоступною для використання у вигляді теплової енергії.

Існує правило Ліндемана: лише 10% енергії, що надійшла на певний трофічний рівень біоценозу передається організмам, що знаходяться на вищому трофічному рівні. Це означає, що лише одна десята частина речовини використовується для створення біомаси ланки, решта її випадає з ланцюга (розходжується на інші процеси). Тому ланцюг живлення не може бути довгим. Найчастіше він складається з 4-6 ланок.