12.7. fluxul energetic în ecosisteme
Întreținerea vieții organismelor și circulația materiei în ecosisteme, adică existența ecosistemelor, depinde de influxul constant de energie necesar pentru toate organismele pentru activitatea lor vitală și autoproducere (Figura 12.19).
Fig. 12.19. Fluxul de energie în ecosistem (conform lui F. Ramada, 1981)
Spre deosebire de substanțele care circulă continuu în diferite blocuri ale ecosistemului, care pot fi reutilizate întotdeauna, intră în ciclu, energia poate fi utilizată o singură dată, adică are loc un flux liniar de energie prin ecosistem.
Fluxul unilateral al energiei ca fenomen universal al naturii apare ca urmare a legilor termodinamicii. Prima lege afirmă că energia poate fi transformată dintr-o formă (de exemplu, lumină) într-o alta (de exemplu, energia potențială a alimentelor), dar nu poate fi creată sau distrusă. A doua lege afirmă că nu poate exista un singur proces asociat transformării energiei, fără a pierde o parte din ea. O anumită cantitate de energie în astfel de transformări este disipată în energie termică inaccesibilă și, prin urmare, este pierdută. Prin urmare, nu pot exista transformări, de exemplu, ale substanțelor nutritive în substanța din care se compune corpul corpului, venind cu o eficiență de 100%.
Astfel, organismele vii sunt convertoare de energie. Și de fiecare dată când are loc transformarea energiei, o parte din ea se pierde sub formă de căldură. În cele din urmă, toată energia care intră în ciclul biotic al ecosistemului este disipată ca căldură. Organismele vii nu folosesc efectiv căldura ca sursă de energie pentru a-și îndeplini activitatea - folosesc energie lumină și chimică.
Lanțuri alimentare și plase, nivel trofic. În interiorul ecosistemului, substanțele care conțin energie sunt create de organisme autotrofice și servesc drept hrană pentru heterotrofe. Relațiile alimentare sunt mecanismele transferului de energie de la un organism la altul.
Un exemplu tipic: un animal mănâncă plante. Acest animal, la rândul său, poate fi mâncat de alte animale. În acest fel, energia poate fi transferată printr-o serie de organisme - fiecare alimentând ulterior pe cea anterioară, alimentând-o cu materii prime și energie (Figura 12.20).
Fig. 12.20. Circulația biotică a substanțelor: lanțul alimentar
(conform lui Ban Bannikov și colab., 1985)
O astfel de secvență de transfer de energie se numește lanț alimentar (trofic) sau lanț de aprovizionare. Locația fiecărei legături din lanțul alimentar este un nivel trofic. Primul nivel trofic, după cum sa menționat anterior, este ocupat de autotrofe sau așa-numitele produse primare. Organismele celui de-al doilea nivel trofic sunt numite consumatori primari, consumatori secundari secundari și așa mai departe.
Există de obicei trei tipuri de lanțuri alimentare. Lanțul alimentar al prădătorilor începe cu plante și trece de la organisme mici la organisme mai mari și mai mari. Pe pământ, lanțurile alimentare sunt formate din trei până la patru legături.
Se arată una dintre cele mai simple lanțuri alimentare (vezi Figura 12.5):
planta ® hare ® lup
producător Carnivore Herbivore®
Distribuite pe larg și astfel de lanțuri alimentare:
material vegetal (de exemplu, nectar) ® fly ® spider ®
suc de trandafir Bush ® aphids ® gărgăriță (mort) bug ®
® pasăre păsărică de păsări insectivore ® păsărică.
În ecosistemele acvatice și, în special, marine, lanțurile alimentare de prădători tind să fie mai lungi decât cele terestre. Tipul relațiilor alimentare prezentate în Fig. 12.21 și tabelul. 12.5.
Fig. 12.21. Lanțuri alimentare în ecosistemele terestre și acvatice:
I - producători; II - erbivore; III, IV, V - carnivore; 0 - destructori (de la F. Ramada, 1981)
Structura lanțului alimentar din ecosistemul marin
(conform lui F. Ramada, 1981)
Lanțurile alimentare, inclusiv paraziții, diferă de cele listate și merg de la organisme mari la cele mici. În unele cazuri, organismele taxonomic departe la distanță unul de altul, sunt dezvoltate unul în interiorul celuilalt organism, primul din interiorul al doilea parazit, etc. De exemplu, insectele hyperparasitism dezvoltat foarte mult, și adesea lanțul alimentar este după cum urmează ..:
Plant ® Herbivore ® Parazit ® Hiperparazit
pine ® caterpillar ® braconids ® rider
Abies Choristoneura Apantelessp Chaleididae
În jurul fiecărei specii de insecte fitofage care se hrănesc cu plante, se formează zoocenoza paraziților și a prădătorilor, formând numeroase lanțuri alimentare, unde gazda este legătura inițială.
Aceste tipuri de lanțuri alimentare încep cu organismele fotosintetice și se numesc pășuni (sau lanțuri alimentare sau lanțuri de consum).
Al treilea tip de lanțuri alimentare pornind de la reziduuri de plante moarte, excrementele și animalele moarte, denumite detritice lanțuri (saprofite) produse alimentare sau lanțuri de descompunere detritică. În lanțul alimentar detritică în ecosistemele terestre joacă un rol importante păduri de foioase, cele mai multe dintre frunzele care nu sunt consumate de ierbivore, și face parte din gunoi de frunze căzute. Frunzele sunt zdrobite numeroase detritophages - fungi, bacterii, insecte (de exemplu, springtails) etc. (ploaie) viermi de pământ inghitite mai departe, care transporta o distribuție uniformă a stratului de suprafață de humus în sol, formând așa-numita mull (figura 12.22) ....
Fig. 12.22. Lantul alimentar detasator in ecosistemul terestru
La acest nivel, miceliul este așezat în ciuperci. Microorganismele care descompun care completează lanțul produc mineralizarea finală a rămășițelor organice moarte. În general, lanțurile alimentare tipice detrite ale pădurilor noastre pot fi reprezentate după cum urmează:
frunze de gunoi ® pământ roșu ® blackbird®
Animalul mort ® Larvele muștelor arse ® Pe bază de plante
broasca ® obișnuită.
În circuitele considerate ale lanțurilor alimentare, fiecare organism este reprezentat ca hrană pe alte organisme de același tip. Legăturile reale de hrană din ecosistem sunt mult mai complicate, deoarece animalul poate mânca organisme de diferite tipuri din același lanț alimentar sau din diferite lanțuri alimentare, de exemplu, prădători de nivel trofic superior. Adesea, animalele mănâncă atât plante, cât și alte animale. Ele sunt numite omnivore. Astfel, toate cele trei tipuri de lanțuri alimentare coexistă întotdeauna în ecosistem, astfel încât reprezentanții săi sunt uniți prin numeroase legături alimentare intersectate și împreună formează o rețea alimentară (trofică) (Figura 12.23).
Rețelele alimentare din ecosisteme sunt foarte complexe și se poate concluziona că energia care le pătrunde, migrează mult timp de la un organism la altul.
Fig. 12.23. Rețeaua alimentară și direcția fluxului de materie
Piramide ecologice. În fiecare ecosistem, rețelele trofice au o structură bine definită care se caracterizează prin natura și cantitatea organismelor prezente la fiecare nivel al diferitelor lanțuri alimentare. Pentru a studia relațiile dintre organismele din ecosistem și pentru reprezentarea lor grafică, de obicei nu sunt schemele rețelei alimentare folosite, ci piramidele ecologice. Piramidele ecologice exprimă structura trofică a ecosistemului într-o formă geometrică. Ele sunt construite sub formă de dreptunghiuri de aceeași lățime, dar lungimea dreptunghiurilor ar trebui să fie proporțională cu valoarea obiectului măsurat. De aici puteți obține piramide de abundență, biomasă și energie.
Piramidele ecologice reflectă caracteristicile fundamentale ale oricărei biocenoză atunci când își prezintă structura trofică:
- înălțimea lor este proporțională cu lungimea lanțului alimentar în cauză, adică cu numărul de niveluri trofice conținute în acesta;
- forma lor reflectă mai mult sau mai puțin eficacitatea transformărilor energetice în tranziția de la un nivel la altul.
Piramidele numerelor. Ele reprezintă cea mai simplă aproximare a studiului structurii trofice a ecosistemului. În acest număr primul numărat de organisme dintr-un anumit teritoriu, gruparea lor de niveluri trofice și care prezintă ca un dreptunghi, lungimea (sau zona) este proporțională cu numărul de organisme vii într-o anumită zonă (sau în acest ecran, în cazul în care ecosistemul acvatic). Regula de bază care precizează că orice mediu de plante înaintea ierbivore animale înainte carnivore, insecte mai mult decât păsările, și altele asemănătoare. D. (Fig. 12,24).
Fig. 12.24. Diagrama simplificată a piramidei numărului
(conform GA Novikov, 1979)
Numărul piramidelor reflectă densitatea organismelor la fiecare nivel trofic. În construcția diferitelor piramide de abundență există o mare varietate. Adesea ele sunt întoarse cu susul în jos (Figura 12.25).
De exemplu, în pădure există în mod semnificativ mai puțini copaci (producători primari) decât insecte (erbivore).
Fig. 12.25. Piramidele numerelor:
Un model similar se observă în lanțurile alimentare de saprofite și paraziți.
Piramida de biomasă. Reflectă mai bine relațiile nutriționale din ecosistem, deoarece ia în considerare masa totală a organismelor (biomasă) de la fiecare nivel trofic. Dreptunghiurile din piramidele biomasei reprezintă masa organismelor fiecărui nivel trofic, care se referă la o unitate de suprafață sau volum. Forma piramidei de biomasă este adesea similară cu forma piramidei abundenței. Caracteristic, scăderea biomasei la fiecare nivel trofic ulterior (Figurile 12.26 și 12.27).
Fig. 12.27. Tipuri de piramide de biomasă în diferite diviziuni
Piramidele de biomasă, precum și numerele, pot fi nu numai directe, ci și inversate. piramida inversata a biomasei caracteristice ecosistemelor acvatice în cazul în care producătorii primari, cum ar fi algele fitoplancton rapid diviza, iar consumatorii lor - crustacee zooplancton - sunt mult mai mari, dar care au un ciclu lung de reproducere. În special, se referă la un mediu de apă dulce în care producția primară este asigurată de organisme microscopice, rata metabolismului care este crescut, de exemplu. E. Biomasa este scăzută, productivitatea este ridicată.
Piramida energiei. Cel mai fundamental mod de a cartografia conexiunile dintre organisme la niveluri trofice diferite este piramidele energetice. Ele reprezintă eficiența conversiei energetice și productivitatea lanțului alimentar sunt construite prin numărarea cantității de energie (kcal) acumulate pe unitate de suprafață și pe unitatea de timp utilizată de către organismele la fiecare nivel trofic. Astfel, este relativ ușor de determinat cantitatea de energie stocată în biomasă și este mai dificilă estimarea cantității totale de energie absorbită la fiecare nivel trofic. După construirea graficului (Figura 12.28), se poate afirma că distrugătorii, a căror semnificație este mică în piramida biomasei și în piramida populației, dimpotrivă; primesc o cantitate semnificativă de energie care trece prin ecosistem. În acest caz, doar o parte din această energie este în organismele de la fiecare nivel trofic ecosistem și stocat în biomasa, restul este utilizat pentru a satisface nevoile metabolice ființelor vii: menținerea existenței, de creștere, de reproducere. Animalele consumă, de asemenea, o cantitate considerabilă de energie pentru munca musculară.
Fig. 12.28. Piramidele ecologice (conform lui E. Odumu, 1959):
a - piramida numerelor; b - piramida de biomasă;
c - piramida energetică.
Dreptunghiurile umbrite denotă produse pure
Să analizăm în detaliu ce se întâmplă cu energia atunci când este transmisă prin lanțul alimentar (Figura 12.29).
Fig. 12.29. Debitul de energie prin trei nivele trofice
(în conformitate cu P. Duvigno și M. Tangu, 1968)
Anterior, sa constatat că energia solară recepționată de către uzină este utilizată doar parțial în procesul de fotosinteză. Fixat în carbohidrați, energia este producția brută a ecosistemului (Pv). Carbohidrații merg să construiască protoplasm și creșterea plantelor. O parte din energia lor este cheltuită pentru respirație (D1). Producția netă (Pc) este determinată de formula:
În consecință, fluxul de energie care trece prin nivelul producătorilor sau producția brută poate fi reprezentat:
Un anumit număr de substanțe create de producători servește ca hrană pentru fitofagii (K). Restul, ca rezultat, moare și este procesat de descompunere (H). Furajele fitofagice asimilate (A) sunt folosite doar parțial pentru a-și forma biomasa (PD). În principal, este irosit pe furnizarea de energie pentru procesele de respirație (D) și într-o anumită măsură este excretat din corp sub formă de excremente și excremente (E). Fluxul de energie care trece prin al doilea nivel trofic este exprimat după cum urmează:
Consumatorii de ordinul doi (prădătorii) nu extermizează întreaga biomasă a victimelor lor. În același timp, din cantitatea pe care o distruge, doar o parte este folosită pentru a crea o biomasă cu propriul nivel trofic. Restul este consumat în principal pentru energia respirației, excretată cu excremente și excremente. Fluxul de energie care trece prin nivelul conspirațiilor de clasa a doua (carnivore) este exprimat prin formula:
În mod similar, lanțul alimentar poate fi urmărit până la ultimul nivel trofic. Distribuind costuri energetice diferite pe verticală la nivel trofic, obținem o imagine completă a piramidei alimentare în ecosistem (Figura 12.30).
Fig. 12.30. Piramida energiei (de la F. Ramada, 1981):
E este energia eliberată cu metaboliți; D - decese naturale; W -fekalii; R - respirație
Fluxul de energie, exprimat prin cantitatea de materie asimilată de-a lungul lanțului alimentar, scade la fiecare nivel trofic sau:
Pn> P2> P3 și așa mai departe.
R. Lindeman în 1942, a formulat prima lege a piramidei energiei, care în manuale este deseori numită "legea 10%". Conform acestei legi, de la un nivel trofic al piramidei ecologice la alt nivel, în medie, nu depășește 10% din energie.
Heterotrofii ulteriori transmit numai 10-20% din energia inițială. Folosind legea piramidei energiei, este ușor de calculat că cantitatea de energie în valoare de carnivore terțiare (V) este de nivel trofic aproximativ 0,0001 energia absorbită de către producători. Rezultă că transferul de energie de la un nivel la altul are loc cu o eficiență foarte scăzută. Acest lucru explică numărul limitat de legături din lanțul alimentar, indiferent de orice biocenoză particulară.
E. Odum (1959) într-un lanț alimentar maxim simplificat - alfalfa ® calf ® copilul a estimat conversia de energie, a ilustrat magnitudinea pierderilor sale. Să presupunem, a spus el, este o însămânțare de lucernă pe o suprafață de 4 hectare. În acest domeniu, vițeii sunt hrăniți (se presupune că mănâncă numai lucernă), iar un băiat de 12 ani se hrănește numai cu carne de vită. Rezultatele calculelor, prezentate sub forma a trei piramide: abundența, biomasa și energia (Figurile 12.31 și 12.32), sunt dovezi; lucernă, care utilizează doar 0,24 \% din întregul incident privind domeniul energiei solare absorbite de vițel 8 \% din aceste produse și doar 0,7 \% biomasă de vițel asigură dezvoltarea copilului pe parcursul anului *.
Fig. 12.31. Sistem ecosistem simplificat: lucernă - viței - băiat
(conform lui E. Odumu, 1959):
A este o piramidă numerică; B - piramida biomasei; B - piramida energetică
Astfel, E. Odum a arătat că doar o milionime din energia solară de intrare transformată în biomasă carnivor, în acest caz, crește greutatea copilului, iar restul se pierde este dispersat în formă de degradate în mediu. Acest exemplu ilustrează eficiența ecologică foarte scăzută a ecosistemelor și eficiența scăzută la transformarea în lanțurile alimentare. Se poate afirma, după cum urmează: în cazul în care 1000 kcal (zi m2) producători fixe, apoi 10 Kcal (ziua m2) ierbivor biomasă intră și numai 1 kcal - biomasa carnivor. (M2 d.).
Pentru că o anumită cantitate de substanță poate fi utilizată în mod repetat în fiecare biocenoza, o parte din energie, o dată oportun să spunem, în transferul de energie ecosistemului cascadă are loc (vezi. Fig. 12.19).
Consumatorii servesc ca manager și stabilizând legătura în ecosistem (Figura 12.32). Consumatorii generează un spectru de diversitate în cenoză, împiedicând dominarea dominanților. Regula de gestionare a valorii consumatorilor poate fi atribuită în mod corespunzător unui principiu fundamental. Conform opiniei cibernetice, sistemul de control ar trebui să fie mai complex în structură decât cel gestionat, atunci motivul pluralității de tipuri de consumatori devine clar. Valoarea controlată a consumatorilor are și o subordonare a energiei. Fluxul de energie care trece prin acest nivel sau trofic nu poate fi determinat în mod absolut de prezența alimentelor în nivelul trofic subiacent. Există mereu, după cum știți, o "aprovizionare" suficientă, deoarece distrugerea completă a alimentelor ar duce la moartea consumatorilor. Aceste modele generale sunt observate în cadrul proceselor populației, al comunităților, al nivelurilor piramidei ecologice și al biocenozelor în ansamblu.