58. Экосистемы. Круговорот веществ и поток энергии

Определения и обозначения

Экосистема — единство живых организмов и среды их обитания, связанных обменом веществ и преобразованием энергии. В неё входят организмы разных видов и абиотические условия: вода, воздух, почва, свет и температура. Границы экосистемы определяют по тому, где сохраняются характерные связи организмов друг с другом и со средой. Это понятие помогает изучать не отдельные виды, а целую систему взаимодействий.

Продуценты — организмы, создающие органические вещества из неорганических. К ним относятся растения, водоросли и некоторые бактерии; они используют энергию света или химических реакций. Поскольку произведённое ими органическое вещество служит пищей для других организмов, продуценты обычно стоят в начале пищевых цепей. Их деятельность связывает неорганические вещества среды с живой частью экосистемы.

Консументы — организмы, получающие готовые органические вещества, питаясь другими организмами или их частями. К этой группе относятся животные и некоторые другие организмы. Вместе с пищей консументы получают вещества для построения собственного тела и энергию для жизнедеятельности. По тому, кем питается организм, его относят к определённому трофическому уровню.

Редуценты — организмы, разлагающие органические остатки до неорганических веществ. Главные примеры — бактерии и грибы, перерабатывающие отмершие организмы и отходы. Благодаря их работе минеральные вещества возвращаются в почву, воду или воздух и вновь могут использоваться продуцентами. Без редуцентов остатки накапливались бы, а доступные растениям вещества не возвращались бы в круговорот.

Как это устроено

Экосистему рассматривают как единую систему, потому что её живые и неживые части постоянно влияют друг на друга. Организмы используют воду, газы и минеральные вещества среды, а сами изменяют её состав и условия. Например, растения создают органическое вещество и выделяют кислород, а животные потребляют пищу и выделяют продукты обмена. Поэтому при изменении одной части могут измениться условия жизни других организмов.

Продуценты превращают неорганические вещества в органические, потому что получают энергию для такого синтеза. При фотосинтезе растения и водоросли используют энергию света; некоторые бактерии получают энергию из химических реакций. В результате углекислый газ, вода и минеральные вещества включаются в состав органических соединений. Эта продукция становится основой питания для тех организмов, которые сами не создают органику из неорганических веществ.

Органическое вещество и заключённая в нём энергия передаются по пищевым цепям, когда один организм поедает другой. Например, заяц получает вещества и энергию, питаясь растениями, а лиса — поедая зайца. При этом организм использует большую часть полученной энергии на дыхание, движение, рост и поддержание жизнедеятельности. Поэтому на следующий трофический уровень переходит лишь часть вещества и энергии, а пищевые цепи обычно не бывают бесконечно длинными.

Когда организмы отмирают или оставляют отходы, их органическое вещество становится ресурсом для редуцентов. Бактерии и грибы расщепляют сложные соединения, в итоге образуются более простые вещества, включая минеральные. Они поступают в почву, воду или воздух, откуда их вновь могут поглощать продуценты. Так работа редуцентов замыкает круговорот веществ между организмами и средой.

Вещества и энергия движутся по экосистеме по-разному, потому что их роль в системе неодинакова. Атомы химических элементов могут переходить из среды в организмы, затем — в остатки и снова в среду, поэтому одни и те же вещества используются многократно. Энергия поступает, передаётся между трофическими уровнями и постепенно рассеивается в виде тепла. Значит, для круговорота веществ достаточно возвращения соединений в среду, а для продолжения потока энергии нужен новый приток энергии, чаще всего солнечной.

Функциональные группы организмов в экосистеме

Таблица помогает различить группы по тому, откуда они получают вещества и энергию, и какую функцию выполняют. Примеры показывают, что группа определяется способом питания, а не только внешним видом организма.

Разбор задач

Задача 1. В пищевой цепи «трава — заяц — лиса» определите продуцента и консументов. Для решения нужно выяснить, кто создаёт органическое вещество, а кто получает его, поедая другой организм. Стрелки в такой записи показывают направление передачи пищи и энергии. Начните с первого звена цепи.

1. Трава образует органические вещества из неорганических при фотосинтезе, поэтому это продуцент.
2. Заяц питается травой и получает готовую органику, значит, он консумент первого порядка.
3. Лиса питается зайцем, поэтому она тоже консумент, но второго порядка в этой цепи.

Ответ: продуцент — трава; консументы — заяц и лиса. Заяц получает пищу непосредственно от продуцента, а лиса — от другого консумента. Такое распределение показывает, как органическое вещество переходит между трофическими уровнями.

Задача 2. Укажите, как вернутся в почву минеральные вещества из опавших листьев в лесной экосистеме. Листья сами по себе содержат органические соединения и минеральные элементы, но для повторного поглощения их нужно преобразовать. Поэтому следует проследить путь от опада до веществ, доступных корням растений. В процессе участвуют организмы-разрушители.

1. Опавшие листья становятся органическими остатками, которые заселяют грибы и бактерии.
2. Редуценты расщепляют органические соединения листьев в ходе разложения.
3. Минеральные вещества поступают в почву, где могут раствориться в воде и стать доступными корням растений.

Ответ: минеральные вещества возвращаются в почву благодаря разложению листьев редуцентами. Затем их поглощают растения-продуценты и снова включают в состав органических веществ. Так замыкается часть круговорота веществ лесной экосистемы.

Задача 3. Растения накопили 10 000 кДж энергии. По условному правилу около 10% переходит на следующий трофический уровень; найдите энергию, полученную консументами второго порядка. Нужно применить правило последовательно, потому что между растениями и этими консументами находятся два перехода. На каждом переходе сохраняется примерно десятая часть энергии предыдущего уровня. Не следует вычитать 10% только один раз.

1. Консументы первого порядка получают около 10% от энергии растений: 10 000 × 0,1 = 1 000 кДж.
2. Консументы второго порядка получают около 10% от энергии консументов первого порядка: 1 000 × 0,1 = 100 кДж.
3. Проверка: два перехода дают 10 000 × 0,1 × 0,1 = 100 кДж.

Ответ: около 100 кДж. Это оценка, основанная на условном правиле, а не точная величина для любой экосистемы. Остальная энергия расходуется организмами и рассеивается, поэтому энергетический поток уменьшается на каждом трофическом уровне.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что энергия совершает круговорот, как вещества. Такое представление возникает из-за того, что и энергия, и вещества передаются по пищевым цепям. Но энергия не возвращается к продуцентам: она проходит через экосистему и рассеивается в виде тепла. Проверка: спросите себя, может ли один и тот же запас энергии снова и снова использоваться без нового поступления.

Ошибка: думать, что редуценты только уничтожают остатки. Разложение выглядит как исчезновение листьев или останков, поэтому легко не заметить результат работы редуцентов. На самом деле минеральные вещества возвращаются в среду и вновь становятся доступны продуцентам. Проверка: проследите, откуда растение получает вещества для роста после разложения опада.

Ошибка: считать, что при переходе по пищевой цепи сохраняется вся энергия. Организм тратит энергию на жизнедеятельность, а значительная часть рассеивается как тепло. Путаница возникает, если сосредоточиться только на том, что хищник получает пищу от жертвы. Проверка: применяйте правило передачи энергии отдельно к каждому переходу между трофическими уровнями.

Ошибка: путать пищевую цепь с круговоротом веществ. Цепь показывает, кто кого ест и как передаются органическое вещество и энергия, но сама по себе не показывает возврат веществ в среду. Для этого нужно учитывать разложение остатков редуцентами и повторное поглощение минеральных веществ продуцентами. Проверка: если в объяснении нет возвращения веществ из организмов в среду, круговорот описан не полностью.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об органических и неорганических веществах: первые входят в состав организмов и пищи, вторые могут использоваться продуцентами для синтеза органики. Связь с фотосинтезом объясняет, как световая энергия запасается в органических веществах. Понятия пищевых цепей, пищевых сетей и трофических уровней помогают проследить передачу вещества и энергии. Позже эти знания пригодятся при изучении экологических пирамид, устойчивости экосистем и влияния человека на биосферу.

Что запомнить

• Экосистема объединяет живые организмы и среду их обитания.
• Продуценты создают органические вещества из неорганических.
• Консументы получают органическое вещество, питаясь другими организмами.
• Редуценты разлагают остатки и возвращают минеральные вещества в среду.
• Вещества в экосистеме совершают круговорот.
• Энергия передаётся по трофическим уровням и рассеивается в виде тепла.
• На каждый следующий трофический уровень переходит лишь часть энергии.