Потоки вещества и энергии в экосистеме

Поток вещества — перемещение последнего в форме химических элементов и их соединений от продуцентов к редуцентам (через кон­сументы или без них).

Поток энергии — переход энергии в виде химических связей орга­нических соединений (пищи) по цепям питания от одного трофичес­кого уровня к другому (более высокому).

Подчеркнем тот факт, что в отличие от веществ, которые посто­янно циркулируют по разным блокам экосистемы и всегда могут вновь участвовать в круговороте, поступившая энергия может быть исполь­зована только один раз.

Ранее отмечалось, что между организмами биоценоза возникают и устанавливаются прочные пищевые взаимоотношения, или цепь пи­тания. Последняя состоит из трех основных звеньев: продуцентов, консументов и редуцентов.

Цепи питания, которые начинаются с фотосинтезирующих орга­низмов, называют цепями выедания (или пастбищными), а цепи, на­чинающиеся с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных, — детритными цепями.

Место каждого звена в цепи питания называют трофическим уров­нем, он характеризуется различной интенсивностью протекания по­тока веществ и энергии.

Первый трофический уровень всегда составляют продуценты; рас­тительноядные консументы относятся ко второму трофическому уров­ню; плотоядные, живущие за счет растительноядных форм, — к тре­тьему; потребляющие других плотоядных — соответственно к четверто­му, и т.д. Вследствие этого различают консументов первого, второго, третьего и четвертого порядков, занимающих разные уровни в цепях питания.

Так как при передаче энергии с одного уровня на другой проис­ходит ее потеря, цепь питания не может быть длинной. Обычно она состоит из 4—6 звеньев (табл. 1).

Таблица 1. Типичные схемы пищевых цепей

Однако такие цепи в чистом виде в природе обычно не встречают­ся, поскольку одни и те же виды могут быть одновременно в разных звеньях. Это обусловлено тем, что монофагов в природе мало, на­много чаще встречаются олигофаги и полифаги. Например, хищни­ки, которые питаются различными растительноядными и плотояд­ными животными, являются звеньями многих цепей. Из-за этого в каждом биоценозе исторически формируются комплексы цепей пи­тания, представляющие собой единое целое. Подобным образом со­здаются сети питания, которые отличаются большой сложностью.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что пищевая цепь — основной канал переноса энергии в сообществе.

Благодаря сложности трофических связей выпадение какого-то одного вида нередко почти не сказывается на сообществе. Пищу ис­чезнувшего вида начинают потреблять другие «пользователи», питав­шиеся им виды находят новые источники пищи, и в целом в сообще­стве сохраняется равновесие.

Теперь рассмотрим, как и в каком соотношении передается энер­гия, заключенная в растительной пище, по цепям питания.

В ходе фотосинтеза растения связывают в среднем лишь около 1 % попадающей на них солнечной энергии. Животное, которое съело ра­стение, часть пищи не переваривает и выделяет в виде экскрементов. Усваивается обычно 20—60% растительного корма, усвоенная энергия расходуется на поддержание жизнедеятельности животного. Функцио­нирование организма сопровождается выделением тепла, в результате существенная доля энергии пищи вскоре рассеивается в окружающей среде. Сравнительно небольшая часть пищи идет на построение новых тканей и создание жировых запасов. В дальнейшем хищник, съевший это растительноядное животное и представляющий третий трофический уровень, получает только ту энергию из накопленной растением, которая задержалась в теле его жертвы (второй уровень) в виде приро­ста биомассы.

Согласно расчетам, на каждом этапе передачи вещества и энер­гии по пищевой цепи теряется примерно 90% энергии и только около одной десятой доли ее переходит к очередному потребителю. Указан­ное соотношение в передаче энергии в пищевых связях организмов называют «правилом десяти процентов» (принцип Линдемана). На­пример, количество энергии, которая доходит до третичных плото­ядных (пятый трофический уровень), составляет лишь около 10^-4 энер­гии, поглощенной продуцентами. Тем самым объясняется ограни­ченное количество (5—6) звеньев (уровней) в пищевой цепи независимо от сложности видового состава биоценоза.

Рассматривая поток энергии в экосистемах, легко понять, почему с повышением трофического уровня биомасса снижается. Здесь проявляется третий основной принцип функционирования экосистем: