§ 25. Круговорот веществ и превращение энергии в экосистеме

Определения и обозначения

Круговорот веществ — переход химических элементов между живыми организмами и неживой средой экосистемы. Например, элемент может попасть из почвы в растение, а затем — в животное. Понятие помогает проследить, откуда организмы получают вещества и как они возвращаются в среду.

Поток энергии — направленное прохождение энергии через организмы разных трофических уровней с её постепенным рассеиванием в виде тепла. Энергия света или химических реакций сначала используется продуцентами, а затем передаётся с пищей. Это понятие объясняет, почему экосистема нуждается в постоянном поступлении энергии извне.

Продуценты, консументы и редуценты — группы организмов, которые соответственно создают органическое вещество, получают его с пищей и разлагают остатки. Продуцентами обычно являются растения и водоросли, консументами — животные, редуцентами — многие бактерии и грибы. Такое деление показывает, как вещество включается в пищевые связи и возвращается в среду.

Трофический уровень — положение организма в цепи питания, определяемое тем, откуда он получает пищу. Продуценты занимают первый уровень, а питающиеся ими животные — следующий. Понятие позволяет сравнивать участников цепей и оценивать передачу вещества и энергии между ними.

Как это устроено

Продуценты поглощают из среды воду, углекислый газ и минеральные вещества, а затем образуют из них органические соединения. Для этого растения используют энергию света, а некоторые бактерии — энергию химических реакций. Так неорганические вещества становятся частью живой ткани, доступной другим организмам.

Когда консумент съедает продуцента или другого консумента, органическое вещество переходит в его организм. Вместе с пищей передаётся и запасённая энергия, но только часть её сохраняется в новой биомассе. Остальное организм расходует на движение, рост и другие процессы, а значительная доля рассеивается как тепло, поэтому выше по цепи доступно меньше энергии.

После гибели организмов и при выделении продуктов жизнедеятельности остаётся органическое вещество. Редуценты используют его в питании и разлагают на более простые соединения. Минеральные вещества, высвобожденные при разложении, поступают в почву, воду или воздух и могут снова использоваться продуцентами.

Вещества возвращаются в среду и вновь вовлекаются в образование живого вещества, поэтому их путь может повторяться. Энергия проходит через экосистему иначе: она поступает, например, с солнечным излучением, передаётся между организмами и рассеивается в виде тепла. Чтобы движение энергии продолжалось, нужен новый приток, а круговорот вещества поддерживается взаимодействием живых организмов и неживой среды.

Проследим путь углерода из листа. Когда животное съедает лист, часть углеродсодержащих веществ усваивается и становится частью его тканей, а часть может вернуться в окружающую среду при дыхании. После смерти животного редуценты разлагают его остатки, и соединения углерода снова попадают в среду; их дальнейшее превращение зависит от условий и процессов экосистемы. Таким образом, атом углерода не исчезает, а меняет форму и место нахождения.

Круговорот веществ и поток энергии в экосистеме

Таблица помогает сравнить судьбу вещества и энергии на одних и тех же этапах. Сначала проследите, что именно передаётся, а затем сопоставьте роли организмов и результат перехода между уровнями. Это позволяет не путать повторное использование элементов с рассеиванием энергии.

Разбор задач

Задача 1. Расположите продуцента, растительноядное животное и хищника по трофическим уровням и укажите направление передачи органического вещества. Рассмотрим простую цепь: растение, заяц и лисица. Чтобы определить уровни, сначала выясним, кто создаёт пищу, а кто получает её, поедая другого.

1. Растение само образует органическое вещество из неорганического, поэтому это продуцент первого трофического уровня. Его органическое вещество служит пищей растительноядному животному. Так определяется первый переход в цепи.
2. Заяц питается растением, поэтому является консументом первого порядка и занимает второй уровень. Лисица поедает зайца, значит, выступает консументом второго порядка и занимает третий уровень. В этой цепи порядок организмов соответствует росту трофического уровня.
3. Проследим направление передачи вещества по фактическому питанию. Оно идёт от растения к зайцу, а затем от зайца к лисице. Ответ: растение — первый уровень, заяц — второй, лисица — третий; органическое вещество передаётся от растения к зайцу и лисице.

Задача 2. В цепи «трава — заяц — лисица» к траве поступило 10 000 кДж энергии. Оцените передачу энергии при условии, что на следующий уровень в среднем переходит около 10%. Считаем последовательно: сначала находим долю для зайца, затем такую же ориентировочную долю от полученного количества для лисицы.

1. Заяц питается травой, поэтому для перехода к нему берём 10% от 10 000 кДж. Вычисляем: 10 000 × 0,1 = 1 000 кДж. Это оценка энергии, переходящей на уровень зайца, а не всего исходного запаса травы.
2. Лисица питается зайцем, поэтому ещё раз умножаем доступную оценку на 0,1. Получаем 1 000 × 0,1 = 100 кДж. Нельзя считать 10% от первоначальных 10 000 кДж напрямую для обоих переходов: лисица получает долю от уровня зайца.
3. Проверяем направление расчёта: при движении вверх по цепи оценка уменьшается, потому что на каждом этапе часть энергии расходуется и рассеивается. Ответ: зайцу может перейти около 1 000 кДж, лисице — около 100 кДж. Значение 10% приблизительное.

Задача 3. Опишите судьбу атома углерода, который входил в состав листа, после того как лист съело животное, а затем организм погиб и был разложен редуцентами. Здесь нужно отслеживать один и тот же атом, а не энергию, заключённую в органическом веществе. При этом не весь углерод проходит все этапы одним и тем же путём.

1. После поедания листа углерод из его органических соединений попадает в пищеварительную систему животного. Часть атомов усваивается и включается в ткани, а часть может покинуть организм с выделениями. Значит, углерод уже может разделиться между разными путями.
2. Животное использует органические вещества при дыхании, и часть углерода возвращается в окружающую среду в составе углекислого газа. Другой углерод остаётся в тканях до тех пор, пока организм жив. Поэтому судьбу отдельного атома нельзя описать одним обязательным маршрутом.
3. После гибели животного его остатки разлагают редуценты. При разложении углерод высвобождается в соединениях, которые поступают в среду и могут снова включиться в биологические процессы. Ответ: атом углерода переходит из листа в животное либо в продукты его жизнедеятельности, а затем при дыхании или разложении возвращается в среду.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что энергия возвращается к продуцентам и совершает замкнутый круг. Так могут рассуждать, смешивая передачу энергии с переходом атомов вещества. Проверьте себя: если энергия рассеивается как тепло, для дальнейшей работы экосистемы требуется новый её приток.

Ошибка: думать, что редуценты только разрушают органические остатки. Слово «разложение» может создать впечатление, будто вещества просто исчезают, хотя они переходят в другие формы. Проверьте, указали ли вы, что минеральные вещества возвращаются в среду и могут быть использованы продуцентами.

Ошибка: воспринимать передачу около 10% энергии как точную и одинаковую для любой экосистемы. Это удобная ориентировочная закономерность, а не универсальное значение для каждого перехода. Проверьте условие задачи: если процент задан, используйте его, а если нет — называйте оценку приблизительной.

Ошибка: считать, что каждый организм занимает только один трофический уровень. Это упрощение возникает, когда организм рассматривают вне его рациона. Проверьте, чем он питается в конкретной цепи: всеядный организм может занимать разные уровни в зависимости от пищи.

Связь с другими темами

Чтобы проследить перемещение вещества между организмами, нужно знать пищевые цепи и сети, а для определения места организма в них — трофические уровни. Фотосинтез объясняет, как растения запасают энергию света в органическом веществе, а клеточное дыхание — как организмы используют это вещество и рассеивают часть энергии. Такие связи помогают понять, почему поток энергии не замыкается.

Круговорот веществ связан с биогеохимическими циклами углерода, азота и воды: в каждом из них элементы проходят через организмы и компоненты среды. Скорость образования органического вещества связана с продуктивностью экосистемы, а разнообразие связей влияет на её устойчивость. Поэтому изменение одного звена может сказаться и на перемещении веществ, и на доступности энергии.

Что запомнить

• В круговороте веществ участвуют и живые организмы, и неживая среда.
• Продуценты создают органическое вещество из неорганического.
• Консументы получают вещество и энергию, питаясь другими организмами.
• Редуценты разлагают органические остатки и возвращают минеральные вещества в среду.
• Вещества могут многократно использоваться в экосистеме.
• Энергия передаётся по трофическим уровням в одном направлении и рассеивается.
• При переходе на следующий трофический уровень передаётся лишь часть энергии.