§ 31. Функционирование биогеоценозов

Определения и обозначения

Поток энергии — однонаправленная передача энергии по пищевым цепям от продуцентов к консументам и редуцентам; при каждом переходе часть энергии рассеивается в виде тепла. Это понятие помогает понять, почему энергия не возвращается к началу цепи и почему для жизни сообщества нужен её постоянный приток.

Круговорот веществ — многократное перемещение химических элементов между живыми организмами и компонентами неживой природы. Благодаря ему вещества после использования организмами не исчезают, а возвращаются в среду и могут снова войти в состав живого вещества.

Биологическая продуктивность — скорость образования органического вещества организмами. Первичная продуктивность относится к продуцентам, а продукция следующих трофических уровней — к консументам; это различие нужно, чтобы оценивать образование вещества, а не просто его запас в сообществе.

Экологическая пирамида — графическое представление соотношения числа организмов, биомассы или энергии на разных трофических уровнях. Она позволяет сравнивать уровни пищевой цепи и увидеть, как распределяются ресурсы от её основания к вершине.

Как это устроено

Биогеоценоз функционирует как связанная система: организмы зависят от пищи, воды, света и минеральных веществ, а сами меняют условия среды. Если меняется один компонент, это может отразиться на других через пищевые связи или обмен веществами. Поэтому устойчивость сообщества определяется не одним видом, а сохранностью связей между живой и неживой природой.

В большинстве биогеоценозов первоначальный источник энергии — солнечный свет. Продуценты используют его при создании органического вещества, в котором энергия запасается в химической форме. Консументы получают эту энергию, поедая растения или других животных, однако организмы расходуют её на жизненные процессы, и часть рассеивается как тепло. Поэтому для продолжения работы сообщества необходим новый приток энергии.

Вещества переходят от продуцентов к консументам вместе с пищей, а затем оказываются в отходах и остатках организмов. Редуценты разлагают органическое вещество до минеральных соединений, которые возвращаются в почву, воду и атмосферу. Продуценты вновь поглощают доступные соединения и используют их для образования органики. Так химические элементы многократно перемещаются между организмами и окружающей средой.

Продуктивность зависит от условий среды и возможностей организмов: например, от освещённости, температуры, наличия воды и минеральных веществ. Первичная продуктивность показывает, сколько органического вещества создают продуценты за определённое время. До следующих трофических уровней доходит лишь часть этого вещества, поэтому продукция консументов обычно меньше. Важно отличать скорость образования органики от общего количества вещества, которое накопилось к данному моменту.

Экологическая пирамида отражает распределение организмов, биомассы или энергии по трофическим уровням. Обычно выше по цепи доступно меньше энергии: часть тратится на жизнедеятельность и рассеивается, а не вся биомасса становится пищей следующего уровня. Поэтому численность и биомасса верхних уровней часто меньше, хотя пирамида биомассы в отдельных сообществах может иметь необычную форму. Пирамида энергии показывает передачу энергии за определённое время и обычно сужается к вершине.

Поток энергии и круговорот веществ в биогеоценозе

Сравнивайте процессы по направлению движения и судьбе ресурса: энергия проходит через систему, а вещества возвращаются в неё. Роль редуцентов особенно наглядно показывает, как замыкается круговорот элементов. Таблица помогает не смешивать эти два процесса, хотя оба необходимы для работы биогеоценоза.

Разбор задач

Задача 1. В цепи «трава — кузнечик — лягушка — уж» укажите трофический уровень каждого организма и определите, кто является продуцентом. Начните с организма, который сам образует органическое вещество, а затем двигайтесь по цепи питания. Каждый следующий организм получает пищу с предыдущего уровня.

1. Трава образует органические вещества, значит, это продуцент и первый трофический уровень. Она служит пищей кузнечику. Поэтому кузнечик — консумент первого порядка, второй трофический уровень.
2. Лягушка поедает кузнечика, следовательно, она консумент второго порядка и занимает третий трофический уровень. Уж питается лягушкой и является консументом третьего порядка, четвёртым уровнем.
3. Проверьте последовательность: после продуцента идут консументы первого, второго и третьего порядков. Номер трофического уровня на единицу больше порядка консумента. Ответ: продуцент — трава; далее кузнечик, лягушка и уж занимают уровни со второго по четвёртый.

Задача 2. Продуценты накопили 20 000 кДж энергии. Используя условное правило передачи около 10% энергии на следующий трофический уровень, оцените запас энергии у консументов первого и второго порядков. Считайте, что на каждом переходе передаётся одна десятая исходного запаса. Это приближённая оценка, а не точное значение для любой цепи.

1. Чтобы найти запас у консументов первого порядка, умножьте энергию продуцентов на 0,1. Получаем 20 000 × 0,1 = 2 000 кДж. Значит, около 2 000 кДж может перейти к травоядным консументам.
2. Для консументов второго порядка примените ту же долю к запасу предыдущего уровня. Расчёт: 2 000 × 0,1 = 200 кДж. Нельзя снова брать 10% от исходных 20 000 кДж, потому что энергия передаётся последовательно.
3. Сравните результаты: с каждым переходом запас сокращается примерно в десять раз. Ответ: у консументов первого порядка — около 2 000 кДж, второго порядка — около 200 кДж. В реальной цепи доля передачи может отличаться от 10%.

Задача 3. В цепи «растения — травоядные животные — хищники» биомасса травоядных составляет 500 кг. Оцените необходимую биомассу растений и возможную биомассу хищников, если на следующий уровень переходит около 10% биомассы. Здесь 500 кг — уже известная биомасса среднего уровня. Оценка применима только при условном правиле передачи.

1. Если травоядные составляют около 10% биомассы растений, то биомасса растений должна быть примерно в десять раз больше. Рассчитайте 500 ÷ 0,1 = 5 000 кг. Это оценка биомассы растений, необходимой для такого уровня травоядных.
2. Хищники получают около 10% биомассы травоядных. Умножьте 500 кг на 0,1: получится 50 кг. Значит, возможная биомасса хищников оценивается примерно в 50 кг.
3. Проверьте направление расчётов: чтобы найти нижний уровень, делим на 0,1, а для верхнего умножаем на 0,1. Ответ: около 5 000 кг растений и 50 кг хищников. Это ориентировочные значения, поскольку реальная передача биомассы зависит от условий и организмов.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что энергия совершает круговорот так же, как вещества. Так думают, потому что оба процесса описывают перемещения в сообществе, но энергия при переходах рассеивается и не возвращается в исходный запас. Проверьте себя вопросом: может ли энергия тепла снова стать пищей без нового источника? Нет, поэтому энергия движется в одном направлении.

Ошибка — полагать, что редуценты только разрушают остатки. Это впечатление возникает из-за того, что разложение заметно как исчезновение органики, однако при этом образуются минеральные соединения. Они возвращаются в среду и могут быть поглощены продуцентами. Проверка: проследите, куда попадают вещества после разложения.

Ошибка — считать передачу 10% точной для любой цепи. Правило используют для простых оценок, поэтому его легко принять за неизменную закономерность. Фактическая доля зависит от организмов, условий и того, какая часть пищи усваивается. Проверяйте формулировку задачи: если в ней сказано «условно» или «около», результат тоже приблизительный.

Ошибка — путать продуктивность с запасом биомассы. Оба понятия связаны с органическим веществом, но продуктивность показывает скорость его образования за определённое время, а биомасса — количество вещества в данный момент. Чтобы проверить себя, найдите в условии указание на время: если измеряется образование за период, речь идёт о продуктивности.

Связь с другими темами

Для понимания функционирования биогеоценоза нужно знать его компоненты, различать продуцентов, консументов и редуцентов, а также уметь находить трофические уровни в пищевой цепи. Поток энергии и круговорот веществ помогают объяснить устройство экосистем и биосферы, а экологические пирамиды — сравнить уровни сообщества. Эти знания позволяют оценивать, как деятельность человека влияет на природные сообщества. Устойчивость биогеоценоза зависит от сохранения пищевых связей, продуктивности и возвращения веществ в среду.

Что запомнить

• Энергия поступает в большинство биогеоценозов от Солнца.
• Энергия передаётся по трофическим уровням в одном направлении и постепенно рассеивается.
• Вещества переходят между организмами и неживой природой и многократно используются.
• Продуценты создают органическое вещество, а редуценты возвращают минеральные вещества в среду.
• Продуктивность показывает скорость образования органического вещества.
• На верхних трофических уровнях обычно меньше доступной энергии и биомассы.
• Экологические пирамиды отражают соотношение организмов, биомассы или энергии на трофических уровнях.