Первоисточником энергии для экосистем служит Солнце. Экосистемы существуют за счет не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, которая распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн, из которых 48 % приходится на видимую часть спектра, 45 % − на инфракрасное излучение (с большой длиной волны) и около 7 % − на коротковолновое ультрафиолетовое излучение. При прохождении солнечной энергии через атмосферу приблизительно 19 % поглощается облаками, водяным паром и т. д., 34 % отражается обратно в космос,
47 % достигается земной поверхности, из них 24 % - прямая радиация и 23 % - отраженные лучи. Общее количество солнечной энергии, достигающей Земли, примерно постоянно. Но разные точки земной поверхности получают разное количество энергии (из-за различия во времени освещенности, разного угла падения, степени отражения, прозрачности атмосферы и т.д.)
Растения используют около 0,5 – 1 % солнечной энергии, достигающей поверхности Земли. Аккумулируя энергии, живые организмы увеличивают свою массу. Масса организмов определенной группы (продуцентов, консументов, редуцентов) или экосистемы в целом, приходящаяся на единицу площади или объёма, называется биомассой. Самой высокой биомассой обладают тропические дождевые леса, самой низкой – пустыни и тундры. Зеленые растения в биомассе суши составляют 99 %, а животные и микроорганизмы – 1 %. Биомассу измеряют в единицах массы или выражают количеством энергии, заключенной в тканях.
Энергия, усваиваемая продуцентами в процессе фотосинтеза и накапливаемая в виде органических веществ, называется первичной продукцией, а консументами – вторичной продукцией.
Первичная продукция делится на валовую и чистую. Валовая первичная продукция – это общая биомасса, созданная растениями в ходе фотосинтеза. Часть ее расходуется на поддержание жизнедеятельности растений – траты на дыхание (40–70 %). Оставшаяся часть составляет чистую первичную продукцию, которая в дальнейшем накапливается консументами и редуцентами или накапливается в экосистеме.
3.4. ТРОФИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СЕТИ В ЭКОСИСТЕМЕ. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПИРАМИДЫ
Между организмами биоценоза устанавливаются прочные пищевые взаимоотношения, поскольку, питаясь друг другом, они образуют цепи питания. Цепи питания или трофические цепи - это последовательность организмов, по которым передается энергия усвоенная продуцентами в ходе реакции фотосинтеза и заключенная в пище. Все организмы, получающие энергию солнца через одинаковое число ступеней, принадлежат к одному трофическому уровню, который является звеном пищевой цепи и обозначается прямоугольником. Первый трофический уровень всегда составляют продуценты (автотрофные организмы, преимущественно зеленые растения). Второй трофический уровень – консументы первого порядка (растительноядные животные). Третий трофический уровень – консументы второго порядка (первичные хищники, питающиеся растительноядными животными). Четвертый трофический уровень - консументы третьего порядка (вторичные хищники, питающиеся плотоядными животными). Вследствие этого различают консументы первого, второго, третьего, четвертого порядков, занимающие разные уровни в цепях питания. Максимальное число звеньев в пищевой цепи 4–5, т.к. при переходе энергии с одного трофического уровня на другой большая часть энергии теряется (до 90 % ее рассеивается, уходит в тепло). Последний трофический уровень – редуценты, которые минерализируют органические остатки в неорганические вещества.
Различают два типа пищевых цепей.
1. Цепи выедания (или пастбищные) – пищевые цепи, начинающиеся с живых фотосинтезирующих организмов, от продуцентов к консументами на вынос из экосистемы.
2. Цепи разложения (или детритные) – пищевые цепи, начинающиеся с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных. Цепи выедания преобладают в водных экосистемах, цепи разложения – в экосистемах суши.
В чистом виде приведенные выше цепи питания в природе не встречаются, т.к. одни и те же виды включены в одну или несколько цепей питания. Это происходит потому, монофагов в природе мало, чаще встречаются олигофаги и полифаги. Общие звенья связывают цепи питания в единый комплекс, который называется пищевой сетью.
Графическим отображением функциональной организованности экосистем являются экологические пирамиды: биомасс, чисел (пирамида Элтона), энергии (продукции) (рис 4).
Пирамида чисел - это соотношение численности организмов по трофических цепям, причем численность особей при движении от продуцентов к консументам различного порядка значительно уменьшается.
Пирамида биомасс - это соотношение биомасс организмов разных, трофических уровней, изображённых графически таким образом, что площадь прямоугольника, соответствующего определённому трофическому уровню, пропорциональна его биомассе. Для наземных экосистем пирамида биомасс сужается кверху, а для морских экосистем сужается книзу, что объясняется очень быстрым потреблением косументами фитопланктона.
Пирамида энергий - это соотношение между количеством энергии, заключённой в каждом из трофических уровней экосистемы. Только пирамида энергии всегда имеет правильную форму.
В 1942 г. американский гидробиолог Р. Линдеман установил, что если оценить биопродукцию в последовательных трофических уровнях в любой экосистеме, то получится убывающий ряд чисел, каждое из которых примерно в 10 раз меньше предыдущего.
Рис. 4. Три вида экологических пирамид, представляющие упрощенную экосистему: люцерна – телята – мальчик 12 лет (по Одуму, 1959)
В экологию оно вошло под названием "закон десяти процентов, или правило Линдемана": с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой более высокий ее уровень в среднем 10 % энергии, поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды энергии. Среднемаксимальный переход с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой ее уровень десяти процентов энергии (от 7 % до 17 %) или вещества в энергетическом выражении в большинстве случаев не ведет к отрицательным последствиям для развития экосистем. Пирамиды дают две фундаментальные характеристики любой экосистемы:
- высота пирамиды пропорциональна длине пищевой цепи;
- форма пирамиды, а точнее, наклон сторон ее, показывает эффективность превращения энергии при переходе с одного трофического уровня на другой, более высокий ее уровень.
