Цепи питания и трофические уровни в экосистеме

Тема 3. Первичная продукция и энергетический обмен

Cодержаниe:

Первый закон термодинамики

Второй закон термодинамики

Поток энергии в экосистеме

Трофические уровни

Трофические (экологические) пирамиды

Пищевые цепи и сети

Закон Линдемана о 10% энергии

Эффективность экосистем

Процессы экосистемы

Каждый живой организм должен иметь постоянный запас химической энергии или топлива. Фотосинтез производит топливо, необходимое организму путем преобразования энергии света в химическую энергию, которая хранится в углеродных соединениях.

Организмы, которые не фотосинтезируют должны получить свою энергию, потребляя растения или растения, переработаные каким-нибудь животным. В конечном счете, тепловая энергии излучается обратно в Солнечную систему из земли, чтобы соответствовать входящей энергии от солнца.

Мы знаем, что все организмы нуждаются в ряде минералов или химических веществ, чтобы выжить в дополнение к источнику энергии. В отличие от солнца, земля не имеет свежий источник химических веществ; химические вещества должны быть переработаны и использованы снова и снова. Потребность в энергоснабжении и резерве химических веществ являются основой для двух основных процессов экосистемы: потока энергии и круговорота веществ. Эти два процесса связаны между собой, но не совсем то же самое.

Преобразование энергии

Поток энергии экосистеме происходит в открытой системе, солнце постоянно дает планете энергию в виде света, которая в конечном счете используется и теряется в виде тепла на каждом трофическром уровне пищевой сети. Преобразование энергии в экосистемах происходит в соответствии с универсальными законами термодинамики:

Первый закон термодинамики (Сохранение) гласит, что энергия всегда сохраняется, она не может быть создана или уничтожена.. Энергия может быть преобразована из одной формы (например, световой энергии) в другую (химическую энергию), но она не может быть создана или уничтожена. Общее количество энергии и материи во Вселенной остается постоянным, меняется лишь одна ее форма в другую

Второй закон термодинамики гласит, что "во всех энергетических обменах, если нет притока или выхода энергии из системы, потенциальная энергия всегда будет меньше, чем в исходном состоянии."

Преобразование энергии в системе приводит к ее потерям в виде тепла. Не существует преобразования энергии, которое идет со 100% эффективностью. Это обычно называют энтропией.

Энтропия - степень беспорядка в системе. Клетки упорядоченны и поэтому имеют низкую энтропию.Поток энергии, поддерживает порядок и жизнь. Когда происходит передача энергии из одной формы в другую, которая теряется в виде тепла, энергия уменьшается, беспорядок в системе увеличивается. Энтропия выигрывает, когда организмы прекращают энергетический обмен и умерают.

Фотосинтез

Преобразования энергии в экосистеме начинаются с притоком энергии от солнца, которая фиксируется в процессе фотосинтеза.

Фотосинтез это процесс, посредством которого растения и фотосинтезирующие микроорганизмы используют энергию солнечного света для производства глюкозы (простые сахара) и свободного кислорода. 6H2O + 6CO2 ----------> C6H12O6 + 6O2 Организмы, которые используют неорганические источники углерода и энергии, называются автотрофы ("само-питающиеся"). При фотосинтезе автотрофы используют углекислый газ и свет как источник энергии для синтеза органических соединений, таких как сахар (глюкоза), аминокислоты и жиры.Преобразование непригодной энергии солнечного света в полезную химическую энергию, связано с действием зеленого пигмента хлорофилла.

Клеточное дыханиеэто процесс, посредством которого организмы (например, млекопитающие) расщепляют глюкозу обратно на ее составляющие, воду и углекислый газ, таким образом, расходуя накопленную энергию солнца, первоначально полученную растениями. Энергия хранится в связях с высокой энергией аденозинтрифосфата, или АТФ, "топлива" используемого всеми живыми существами.

Доля фотосинтетической деятельности растений к дыханию других организмов определяет конкретный состав атмосферы, особенно ее уровень кислорода.

Затем химическая энергия в органических молекулах, в конечном счете превращается в тепловую энергию. Эта энергия рассеивается, то есть она теряется в системе, как тепло, и не может быть переработана. В экосистемах, наибольшие потери происходят в процессе дыхания. Без продолжающегося притока солнечной энергии, биологические системы быстро закрылись бы. Таким образом, получение энергии извне — общее условие жизнедеятельности всех организмов; в отношении энергии все биологические системы — открытые системы.

Напротив, все питательные вещества - такие как углерод, азот, кислород, фосфор и сера - используется в экосистемах живыми организмами, действуют в замкнутой системе, поэтому эти вещества подвергаются вторичной переработке, а не теряются и постоянно пополняется, как в открытой системе.

Цепи питания и трофические уровни в экосистеме

Все живые организмы биосферы связаны друг с другом общим фактором, то есть пищей, которая содержит не только энергию, но и материалы, которые необходимы организмам.

Пищевые цепи и пищевые сети – это методы описания того, как энергия передается от одного вида к другому в экосистеме. Пищевые цепи и пищевые сети описывают последовательньность передачи энергии от растений к животным, которые их едят, и так далее. Пищевые сети можно рассматривать как взаимосвязанные и пересекающиеся пищевые цепи.

Пищевая цепь представляет собой ряд этапов, с помощью которых энергия получается, используеся и преобразуется живыми организмами. Например, солнечный свет помогает растениям расти, растения поедаются скотом, и львы едят крупный рогатый скот. В пищевой сети будет меньше организмов на каждом уровне, так звенья сети следует по цепочке, образуя пирамиду.

Пищевая цепь всегда начинается с продуцентов, главным образом, зеленых растений. Следующие в цепочке всегда следуют травоядные, которых называет основными консументами.

Продуценты (от лат. ptoducentis — производящий) — это автотрофные организмы (в основном зеленые растения), которые способны синтезировать органическое вещество из неорганических составляющих в процессе фотосинтеза путем преобразования солнечной энергии в химическую энергию. Их называют также автотрофами, поскольку они сами снабжают себя органическим веществом.

Все продуценты по характеру источника энергии для синтеза органических веществ подразделяются на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов. Первые используют для синтеза энергию солнечного излучения в части спектра с длиной волны 380—710 нм. Это главным образом зеленые (хлорофиллоносные) растения, но к фотосинтезу способны и представители некоторых других царств органического мира. Среди них особое значение имеют цианобактерии (синезеленые «водоросли»), которые, по-видимому, были первыми фотосинтетиками в эволюции жизни на Земле. Способны к фотосинтезу также многие бактерии, которые, правда, используют особый пигмент — бактерио-хлорин — и не выделяют при фотосинтезе кислород.

Консументы - гетеротрофные организмы, потребляющие готовые органические вещества, создаваемые продуцентами, но в ходе потребления не доводящие разложение органических веществ до простых минеральных составляющих.

К консументам относятся все растительноядные, паразитические и хищные животные, часть микроорганизмов, паразитические и насекомоядные растения. В экосистемах консументы играют роль управляющего звена. Различают консументы первого (растительноядные животные), второго и других порядков (хищники и паразиты).

Редуценты - к этой экологической категории относятся организмы-гетеротрофы, которые, используя в качестве пищи мертвое органическое вещество (трупы, фекалии, растительный опад и пр.), в процессе метаболизма разлагают его до неорганических составляющих. В категорию редуцентов входят многие виды бактерий и грибов. По характеру метаболизма это организмы-восстановители. Полный цикл редукции органического вещества более сложен и вовлекает большее число участников. Он состоит из ряда последовательных звеньев, в череде которых разные организмы-разрушители поэтапно превращают органические вещества сначала в более простые формы и только после этого в неорганические составляющие действием бактерий и грибов.

Компоненты пищевых цепей и пищевых сетей – продуценты, консументы и редуценты существуют на разных этапах передачи энергии в экосистеме. Положение каждой группы организмов, получающих пищу одним способом известно как трофический уровень.

Положение организма в пищевой цепи (трофический уровень) характеризуется его удаленностью от основного источника поступающей в сообщество энергии. Автотрофы занимают первый трофический уровень, а гетеротрофы - все последующие трофические уровни: растительноядные организмы - второй, плотоядные - третий, хищники, питающиеся плотоядными животными, - четвертый и т. д.

Трофическая пирамида - графическая модель, описывающая распределение энергии, биомассы или других измеряемых величин между различными трофическими уровнями в экосистеме.