§58. Экосистемы. Круговорот веществ и поток энергии

Определения и обозначения

Экосистема — единство живых организмов и среды их обитания, связанных обменом веществ и энергии. Среда включает неживые компоненты, например воду, почву, воздух и свет, а также условия, влияющие на жизнь организмов. Это понятие помогает рассматривать не отдельные виды, а целую систему взаимодействий, от которых зависит её существование.

Трофический уровень — положение организма в цепи питания, определяемое тем, как он получает пищу. Например, организм, питающийся растениями, занимает следующий уровень после продуцентов, а хищник, поедающий травоядное животное, — ещё один уровень выше. Понятие нужно, чтобы проследить передачу вещества и энергии между звеньями питания.

Поток энергии — передача энергии через организмы экосистемы от её источника к потребителям и далее к другим участникам пищевых связей. На каждом этапе часть энергии рассеивается в виде тепла, поэтому поток направлен, а не замкнут. Это понятие объясняет, почему количество энергии, доступной организмам, уменьшается по мере продвижения по цепи питания.

Круговорот веществ — повторное перемещение химических элементов между организмами и неживой средой. Организмы усваивают вещества, включают их в свои тела, а после выделения отходов или гибели эти соединения вновь попадают в среду. Понятие показывает, почему вещества могут использоваться снова, хотя их формы и местонахождение меняются.

Как это устроено

Экосистема включает организмы и неживые факторы, потому что живые существа не могут существовать отдельно от воды, минеральных веществ, температуры и других условий. Растениям нужны свет и вещества из среды, а животным — пища, вода и подходящие условия обитания. Если связи между организмами и средой нарушаются, меняются доступность ресурсов и численность видов, а система может утратить устойчивость.

Продуценты создают органическое вещество из неорганических соединений. Большинство из них использует энергию света при фотосинтезе, а некоторые бактерии получают энергию из химических реакций. Созданное органическое вещество служит пищей другим организмам, поэтому продуценты становятся началом большинства пищевых цепей и вводят энергию в пищевую систему.

Консументы не создают органическое вещество из минерального: они получают его и энергию, поедая растения или других животных. Так вещества переходят от одного организма к другому, а вместе с ними передаётся часть энергии, накопленной или полученной предыдущим звеном. Редуценты — прежде всего бактерии и грибы — разлагают остатки организмов и отходы; образующиеся минеральные соединения возвращаются в среду и могут быть поглощены продуцентами.

Вещество может многократно участвовать в круговороте, поскольку после разложения органических остатков химические элементы снова оказываются в почве, воде или воздухе. Энергия ведёт себя иначе: она поступает в экосистему, переходит между организмами и постепенно рассеивается как тепло. Поэтому круговорот веществ можно представить как повторное использование элементов, а поток энергии — как движение в одном направлении.

При переходе между трофическими уровнями доступной энергии становится меньше: организм расходует её на движение, дыхание, поддержание жизненных процессов, а часть пищи не усваивается. Поэтому до следующего звена доходит лишь часть энергии, заключённой в биомассе предыдущего уровня. На высоких уровнях её остаётся всё меньше, что ограничивает число звеньев и объясняет, почему пищевые цепи обычно коротки.

Роль групп организмов в экосистеме и их участие в обмене веществ и энергии

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, откуда группа получает органическое вещество или энергию, а затем проследите её место в пищевых связях. Последний столбец помогает увидеть, как разные группы обеспечивают перенос веществ и их возвращение в среду.

Разбор задач

Задача 1. В цепи «трава — заяц — лиса» укажите продуцента, консументов и трофический уровень каждого организма. Стрелки в записи показывают направление передачи пищи, а значит, вещества и части энергии. Чтобы определить уровни, нужно начать с организма, который создаёт органическое вещество, и последовательно проследить питание остальных звеньев.

1. Трава образует органическое вещество, поэтому это продуцент и первый трофический уровень.
2. Заяц питается травой, значит, это консумент первого порядка и второй трофический уровень.
3. Лиса поедает зайца, поэтому она консумент второго порядка и третий трофический уровень.

Ответ: трава — продуцент, первый уровень; заяц — консумент первого порядка, второй уровень; лиса — консумент второго порядка, третий уровень. Вещество и часть энергии передаются от травы к зайцу, затем к лисе.

Задача 2. Растения накопили 20 000 кДж энергии. Оцените, сколько может перейти к травоядным, если для учебной оценки принять передачу около 10% между соседними уровнями. Нужно применить долю к энергии растений и помнить, что полученное число приблизительное: фактическая передача зависит от условий и организмов.

1. Переведём 10% в десятичную дробь: 10% = 0,1.
2. Умножим запас энергии растений на эту долю: 20 000 × 0,1 = 2 000 кДж.
3. Полученное значение обозначает ориентировочную энергию, доступную травоядным, а не точный результат для любой экосистемы.

Ответ: к травоядным может перейти около 2 000 кДж энергии. Остальная часть не передаётся им как доступная энергия, поскольку используется растениями или рассеивается при жизненных процессах и переходе вещества.

Задача 3. После исчезновения редуцентов в экосистеме начали накапливаться органические остатки. Объясните последствия для доступности минеральных веществ растениям и дальнейшего потока энергии. Важно связать разложение с возвращением элементов в среду, а состояние растений — с обеспечением пищей других организмов.

1. Без редуцентов разложение остатков замедляется, поэтому минеральные соединения слабее возвращаются в почву и воду.
2. Продуцентам становится труднее получать необходимые вещества, их рост и образование органики могут уменьшиться.
3. Если продуцентов становится меньше или они образуют меньше биомассы, консументам достаётся меньше пищи и энергии, а поток по пищевым связям ослабевает.

Ответ: доступность минеральных веществ для растений снизится, а образование органического вещества может сократиться. Тогда уменьшится количество энергии, поступающей к консументам; накопление остатков также нарушит круговорот веществ.

Типичные ошибки

Путать круговорот веществ и поток энергии. Эти процессы могут казаться похожими, потому что оба связаны с передачей между организмами. Но вещества возвращаются в среду и повторно используются, а энергия проходит через экосистему и рассеивается. Проверьте себя: спросите, может ли ресурс после прохождения цепи снова попасть к продуцентам в пригодном виде.

Считать, что редуценты создают органическое вещество из минерального. Ошибка возникает потому, что их работа возвращает вещества в среду, где ими пользуются растения. Однако сами редуценты разлагают органические остатки, а не заменяют продуцентов. Проверка проста: если в объяснении сказано, что остатки превращаются в минеральные соединения, а не что редуценты производят органику из минералов, роль описана верно.

Принимать правило 10% за точный закон. Число удобно для примерных расчётов, поэтому его легко запомнить как постоянное. В действительности передаваемая доля меняется в зависимости от организмов и условий. Проверяйте себя: указывайте, что это приблизительная оценка, и не представляйте её универсальным точным значением.

Сводить все пищевые связи к одной линейной цепи. Простую цепь удобно изображать и анализировать, но один организм может иметь несколько источников пищи и сам служить пищей разным видам. Поэтому в реальной экосистеме цепи переплетаются в пищевые сети. Проверьте описание: если оно учитывает несколько связей между видами, а не только одну последовательность, представление полнее.

Связь с другими темами

Для понимания темы пригодятся знания о фотосинтезе, обмене веществ и способах питания организмов: они объясняют, откуда берутся органическое вещество и энергия для пищевых связей. Понятия пищевой цепи и трофического уровня нужны при изучении экологических пирамид и продуктивности экосистем, где сравнивают количество организмов, вещества или энергии на разных уровнях. Эти знания также помогают оценивать влияние человека на биосферу: изменение численности видов или условий среды может затронуть связи во всей системе.

Что запомнить

• Экосистема объединяет организмы и среду их обитания.
• Продуценты создают органическое вещество из неорганического.
• Консументы получают органическое вещество, питаясь другими организмами.
• Редуценты разлагают остатки и возвращают минеральные вещества в среду.
• Вещества участвуют в круговороте, а энергия передаётся однонаправленно.
• При переходе между трофическими уровнями доступная энергия уменьшается.