Энергетика экосистем

Живые организмы, входящие в экосистемы, для своего существования должны постоянно пополнять и расходовать энергию. Растения, как известно, способны запасать энергию в химических связях в процессе фотосинтеза. При фотосинтезе связывается только энергия с определенными длинами волн – 380-710 нм. Эту энергию называют фотосинтетически активной радиацией (ФАР). Растения в процессе фотосинтеза связывают лишь небольшую часть солнечной радиации – менее 1% (в среднем для земного шара). Только наиболее продуктивные экосистемы в оптимальных условиях могут связывать до 3–5% ФАР. Растения являются первичными поставщиками энергии для всех других организмов в цепях питания.

Существуют определенные закономерности перехода энергии с одного трофического уровня на другой вместе с потребляемой пищей.

1. Основная часть энергии, усвоенной консументом с пищей, расходуется на его жизнеобеспечение (движение, поддержание температуры тела и т.д.). Эту часть энергии рассматривают как траты на дыхание (Эд), с которым, в конечном счете, связаны все возможности её высвобождения из химических связей органического вещества.

2. Часть энергии переходит в тело организма-потребителя вместе с увеличивающейся массой (приростом, продукцией). Это энергия прироста (Эпр.).

3. Некоторая доля пищи, а вместе с ней и энергия, не усваивается организмом. Она выводится в окружающую среду вместе с продуктами жизнедеятельности. Это энергия продуктов выделения (Эп.в.).

Таким образом, баланс пищи и энергии для отдельного животного организма можно представить в виде уравнения:

Эп = Эд + Эпр. + Эп.в.(1)

При всем разнообразии расходов энергии максимальные затраты её идут на дыхание и в сумме с неусвоенной пищей они составляют в среднем около 10% от энергии, полученной данным уровнем. В результате на верхние трофические уровни (к хищникам) переходит всего 0,001 доля процента от энергии зеленых растений. Эта закономерность называется правилом десяти процентов. Это правило показывает, насколько низок КПД всех биологических систем и велико значение процессов рассеивания энергии в биосфере.

Если количество энергии (продукции, биомасс или численности) организмов на каждом трофическом уровне представить в виде прямоугольников в одном и том же масштабе, то их распределение будет иметь вид пирамид. Правило пирамид энергии можно сформулировать так: количество энергии, содержащейся в организмах на любом последующем уровне цепи питания, меньше её значений на предыдущем уровне.

Любая экосистема, приспосабливаясь к изменениям внешней среды, находится в состоянии динамики. Эти изменения в одних случаях могут повторяться, в других имеют однонаправленный, поступательный характер и обуславливают развитие экосистемы в определенном направлении.

Периодически повторяющуюся динамику называют циклическими изменениями, или флуктуациями,а направленную динамику называют поступательной, или развитием экосистем. Для направленной динамики характерным является либо внедрение в экосистемы новых видов, либо смена одних видов другими. В конечном счете происходят смены биоценозов и экосистем в целом. Этот процесс называют сукцессией.Различают первичные и вторичные сукцессии. Под первичной сукцессией обычно понимается развитие экосистемы на изначально безжизненном субстрате (заброшенные песчаные карьеры, землеотвалы и т.п.). Вторичные сукцессии начинаются обычно не с нулевых значений, а возникают на месте нарушенных или разрушенных экосистем (вырубка леса, лесные пожары, зарастание с.-х. угодий и т.п.). Сукцессионные смены обычно связывают с тем, что существующая экосистема создает неблагоприятные условия для наполняющих её организмов (почвоутомление, неполный круговорот веществ, самоотравление продуктами выделения и др.). Наряду с природными факторами причинами динамики экосистем все чаще выступает человек (осушение болот, распашка степей, пожары, химическое загрязнение среды и т.п.). Антропогенные воздействия часто ведут к упрощению экосистем и их полному распаду.

Для характеристики экосистем важны такие понятия, как стабильность и устойчивость. Стабильность – это способность экосистем сохранять свою структуру и функциональные свойства при воздействии внешних факторов.

Устойчивость– способность экосистемы возвращаться в исходное (или близкое к нему) состояние после воздействия факторов, выводящих её из равновесия.

Таким образом, устойчивость экосистем и их совокупности, то есть биосферы, зависит от следующих факторов.

1. Биосфера использует внешние источники: солнечную энергию и энергию разогрева земных недр - для поддержания жизнедеятельности окружающей среды. Постоянное использование определенного количества энергии и ее рассеивание в виде тепла создали тепловой баланс в биосфере. Нарушение его может привести к смерти живых существ, которые могут существовать только в определенном тепловом диапазоне.

2. Биосфера как совокупность экосистем использует вещества (преимущественно легкие биогенные элементы: водород, углерод, азот, фосфор, калий, кислород) в основном в форме круговоротов. Биогеохимические циклы элементов отработаны эволюционно и не приводят к накоплению вредных веществ. Поэтому большинство предприятий по производству пищевых продуктов можно организовать без сброса загрязняющих веществ в окружающую среду.

3. В биосфере существует огромное многообразие видов и биологических сообществ. Конкурентные и хищнические отношения между ними способствуют установлению равновесия и спасают от угрозы со стороны внутренних факторов. У многих видов развиты защитные реакции от болезней, механизм которых изучен не до конца. Генофонд дикой природы – бесценный дар, возможности которого использованы в ничтожно малой степени.

4. Практически все закономерности, характерные для живого, имеют адаптивное значение. Биосистемы вынуждены приспосабливаться к непрерывно изменяющимся условиям жизни. Если темп изменений условий жизни превышает адаптивные возможности систем, то они погибают.

5. Саморегуляция, или поддержание численности популяции, зависят от совокупности абиотических и биотических факторов.

Каждый биологический вид представляет собой сложную экологическую систему – систему популяций. Разные части ареала (район обитания вида) отличаются друг от друга не только географически, но и по составу группировок внутри вида. Каждая группировка имеет свои генетические, морфологические и физиологические особенности. Такие группировки и называют популяциями.

На уровне популяций происходят основные адаптации, естественный отбор и эволюционные процессы. Разнообразие популяций внутри вида резко увеличивает его (вида) приспособительные способности, освоение среды и, в конечном счете, возможности выживания. Проявляя заботу о сохранении вида, человек должен прежде всего думать о сохранении популяций.

Каждая популяция характеризуется определенными показателями.

1. Плотностьпопуляции – это число особей на единицу площади или объема. Плотность колеблется с течением времени и определяется потоком вещества и энергии, проходящими через популяцию. Это влияет на продуктивность трофического уровня и интенсивность обмена веществ.

2. Возрастная структураопределяет способность популяции к размножению, она представлена поколениями. Различают три основных типа возрастной структуры: стабильная – число особей разных возрастов равномерно меняется и носит характер нормального распределения; возрастающая – в популяции преобладают молодые особи; уменьшающаяся (отмирающая) – популяция, в которой преобладают особи старших возрастов, что свидетельствует о наличии отрицательных факторов в её существовании, нарушающих воспроизводительные функции.

3. Половая структураопределяется соотношением мужских и женских особей.Неравномерное отмирание особей одного пола или, наоборот, их появление в большом количестве приводит к изменению других характеристик популяции.

К числу важнейших свойств популяций относится динамика численностисоставляющих её особей и механизмы её регулирования. Всякое значительное отклонение численности особей в популяциях от оптимальной связано с отрицательными последствиями для её существования. В связи с этим популяции имеют адаптационные механизмы, способствующие как снижению численности (если она значительно превышает оптимальную), так и её восстановлению, если она снижается ниже оптимальных значений. Периоды резкого изменения численности носят название популяционных волн, волн жизни, волн численности. Причины таких колебаний до конца не ясны. В одних случаях их связывают с пищевым фактором, в других – с климатическими явлениями, в третьих – с солнечной активностью. Вероятнее всего, в данном случае действует комплекс взаимосвязанных факторов.