§ 26. Экосистема. Биогеоценоз. Круговорот веществ и поток энергии в экосистеме

Определения и обозначения

Экосистема — совокупность живых организмов и среды их обитания, связанных обменом веществ и потоком энергии. В неё входят и организмы, и неживые компоненты: вода, воздух, почва, свет и другие факторы. Это понятие помогает рассматривать их не отдельно, а как взаимосвязанную систему.

Биогеоценоз — исторически сложившаяся система живых организмов и абиотической среды на определённом участке территории с относительно однородными условиями. Абиотическая среда — неживые компоненты природы, например почва и климатические условия. Понятие нужно, чтобы описывать природное сообщество вместе с его конкретным местом обитания.

Круговорот веществ — многократное перемещение и преобразование веществ между организмами и неживой природой. Например, минеральные вещества поглощаются растениями, переходят к животным, а после разложения остатков снова попадают в почву. Это понятие показывает, почему вещества могут использоваться в экосистеме повторно.

Поток энергии — направленная передача энергии через организмы экосистемы с её рассеиванием при каждом переходе. Энергия поступает, например, от Солнца, а затем переходит по пищевым связям от одного организма к другому. Это понятие позволяет понять, почему экосистеме требуется постоянный приток энергии.

Как это устроено

В экосистеме взаимодействуют биотическая часть — живые организмы — и абиотическая среда. Продуценты, консументы и редуценты различаются тем, как получают и преобразуют органическое вещество. Среда обеспечивает организмам воду, минеральные вещества и условия жизни, а организмы изменяют её состав: например, поглощают вещества или выделяют продукты обмена. Поэтому изменения одной части системы могут повлиять на остальные.

Продуценты получают энергию от света или химических реакций, а необходимые вещества — из окружающей среды. При фотосинтезе растения используют свет, воду и углекислый газ, чтобы образовать органические вещества. Запасённая в них энергия становится доступной другим организмам, когда те питаются растениями или их потребителями. Именно поэтому продуценты образуют основу большинства пищевых цепей.

Пищевые связи передают органическое вещество и энергию от одного трофического уровня к следующему. Трофический уровень — это положение организма в цепи питания, определяемое тем, откуда он получает пищу: растение является продуцентом, а питающееся им животное — первичным консументом. Если это животное съест хищник, органическое вещество и часть энергии перейдут дальше. Однако энергия не передаётся целиком: организмы расходуют её на жизненные процессы.

После гибели организмов и выделения продуктов жизнедеятельности остаются органические вещества. Редуценты — прежде всего грибы и бактерии — разлагают их до более простых соединений, включая минеральные вещества. Эти вещества возвращаются в почву, воду или воздух и снова становятся доступными продуцентам. Так деятельность редуцентов замыкает круговорот веществ, без которого значительная часть ресурсов оставалась бы в мёртвых остатках.

Вещества могут многократно переходить между неживой природой и организмами: после разложения они вновь включаются в состав живого вещества. Энергия ведёт себя иначе, потому что при каждом переходе часть её рассеивается в виде тепла и не возвращается к исходному уровню. Поэтому экосистеме необходим постоянный приток энергии, обычно солнечной. Вещество циркулирует, а энергия проходит через систему в одном направлении.

Сравнение круговорота веществ и потока энергии в экосистеме

Таблица помогает увидеть главное различие: вещество может вернуться к продуцентам через среду, а энергия — нет. Сравнивая строки, проследите, какую роль играют разные группы организмов и что происходит при переходе на новый трофический уровень. Так легче не путать круговорот веществ с направленным потоком энергии.

Разбор задач

Задача 1. Организмы лесной экосистемы

Условие: в лесной экосистеме перечислите продуцента, консумента и редуцента и укажите их роль. Нужно определить не просто названия организмов, а способ получения ими органического вещества. Один и тот же пример можно заменить другим, если его роль в экосистеме остаётся той же.

1. Берём дерево, например берёзу: оно образует органические вещества из неорганических при фотосинтезе, поэтому это продуцент.
2. Выбираем гусеницу, питающуюся листьями берёзы: она получает готовое органическое вещество из растения, поэтому это консумент.
3. Называем почвенные бактерии или грибы: они разлагают опавшие листья и другие остатки, значит, это редуценты.

Ответ: берёза — продуцент, гусеница — консумент, почвенные бактерии или грибы — редуценты. Берёза создаёт органическое вещество, гусеница его потребляет, а редуценты разлагают остатки. Вместо конкретных видов можно привести другие организмы, если верно объяснить их роль.

Задача 2. Пищевая цепь и возвращение веществ

Условие: составьте цепь питания из растений, растительноядного насекомого, насекомоядной птицы и редуцентов. Затем объясните, куда переходят вещества после гибели организмов. Стрелка в цепи показывает направление передачи органического вещества и энергии — от пищи к потребителю.

1. Сначала поставьте растение, потому что оно создаёт органическое вещество: растение → растительноядное насекомое.
2. Добавьте птицу, которая питается насекомым: растение → насекомое → насекомоядная птица.
3. Укажите грибы и бактерии как редуцентов, разлагающих остатки всех участников цепи.
4. Проследите судьбу веществ: после разложения минеральные соединения попадают в почву и могут снова поглощаться растениями.

Ответ: растение → растительноядное насекомое → насекомоядная птица → редуценты. После гибели организмов их остатки разлагаются, а минеральные вещества возвращаются в среду. Так вещества снова могут войти в состав растений, тогда как энергия на этом пути рассеивается.

Задача 3. Передача энергии по уровням

Условие: растения накопили 10 000 кДж энергии; на следующий трофический уровень передаётся около 10%. Требуется оценить количество энергии у первичных и вторичных консументов. Считать нужно последовательно, каждый раз от количества на предыдущем уровне.

1. Первичные консументы питаются растениями, поэтому получат около 10% от 10 000 кДж: 10 000 × 0,1 = 1 000 кДж.
2. Вторичные консументы питаются первичными, поэтому к ним перейдёт около 10% от 1 000 кДж: 1 000 × 0,1 = 100 кДж.
3. Проверяем направление расчёта: на каждом шаге количество уменьшается в десять раз, а не увеличивается.

Ответ: у первичных консументов будет около 1 000 кДж, у вторичных — около 100 кДж. Это приблизительная оценка, потому что доля передачи зависит от экосистемы и организмов. Расчёт показывает уменьшение доступной энергии, а не исчезновение или круговорот вещества.

Типичные ошибки

Считать экосистему только сообществом организмов. Такую ошибку допускают, когда обращают внимание только на растения и животных. Но в экосистему входит и связанная с ними абиотическая среда: вода, воздух, почва, свет и температура. Проверьте себя: назвали ли вы не только живые компоненты, но и среду их обитания?

Считать понятия «экосистема» и «биогеоценоз» полностью взаимозаменяемыми. Их значения близки, поэтому различие легко упустить. Биогеоценоз относится к конкретному участку территории с относительно однородными условиями, тогда как экосистема — более широкое понятие. Для проверки спросите себя, указаны ли определённая территория и однородность её условий.

Представлять поток энергии как замкнутый круговорот. Это происходит, если смешать движение энергии с возвращением минеральных веществ. Энергия поступает в экосистему, переходит между организмами и рассеивается, поэтому не возвращается к продуцентам в прежнем виде. Проверьте себя: можете ли вы указать постоянный источник энергии и объяснить её уменьшение при переходах?

Считать, что вещества исчезают после гибели организмов. Остатки действительно перестают быть частью живого организма, но не пропадают бесследно. Редуценты разлагают их и возвращают минеральные вещества в среду. Чтобы проверить ответ, проследите путь вещества от погибшего организма через разложение к почве, воде или воздуху.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно различать живые организмы и абиотические факторы среды, а также знать, как организмы получают пищу. Знания о пищевых цепях и сетях помогают проследить передачу вещества и энергии между трофическими уровнями. Это пригодится при изучении устойчивости экосистем и последствий воздействия человека на природу. Понимание круговорота и потока энергии также необходимо для объяснения экологических пирамид и продуктивности экосистем.

Что запомнить

• Экосистема включает организмы и среду их обитания, связанные обменом веществ и энергией.
• Продуценты создают органическое вещество, используя энергию и неорганические вещества.
• Консументы получают органическое вещество, питаясь другими организмами.
• Редуценты разлагают органические остатки и возвращают вещества в среду.
• Вещества в экосистеме совершают круговорот.
• Энергия передаётся по трофическим уровням в одном направлении и рассеивается.
• При переходе энергии на следующий трофический уровень её количество уменьшается.