§ 27. Круговорот веществ и превращение энергии в экосистемах

Определения и обозначения

Круговорот веществ — многократный переход химических элементов между живыми организмами и неживой природой. Например, элемент может попасть из почвы в растение, затем в животное, а после разложения остатков снова оказаться в почве. Это понятие помогает увидеть, почему одни и те же элементы могут участвовать в жизни многих поколений организмов.

Поток энергии — однонаправленное перемещение энергии через экосистему, при котором часть её рассеивается в виде тепла. Энергия поступает к организмам, передаётся при питании и постепенно становится недоступной для дальнейшей передачи. Это понятие объясняет, почему экосистеме требуется постоянный источник энергии.

Продуценты, консументы и редуценты — организмы, которые соответственно создают органическое вещество, потребляют его и разлагают органические остатки. К продуцентам относятся растения, к консументам — животные, к редуцентам — многие бактерии и грибы. Разделение на эти роли помогает проследить движение вещества и энергии в экосистеме.

Экологическая пирамида — изображение соотношения числа организмов, биомассы или энергии на разных трофических уровнях. Трофический уровень — положение организма в цепи питания, например продуцент или растительноядное животное. Пирамида позволяет сравнить уровни и увидеть, почему количество доступной энергии обычно уменьшается к вершине цепи.

Как это устроено

Продуценты поглощают из окружающей среды воду, углекислый газ и минеральные вещества. При фотосинтезе энергия света используется для образования органических веществ, в которых запасается химическая энергия. Это происходит потому, что органические вещества служат одновременно строительным материалом для организма и источником энергии для последующих звеньев питания. Так неорганические компоненты среды становятся частью живого вещества.

Когда консумент съедает продуцента или другого консумента, часть органического вещества переходит в его организм. Вместе с веществом передаётся и заключённая в нём энергия, но не вся съеденная пища усваивается. Неиспользованные остатки и продукты жизнедеятельности становятся материалом для разложения. Поэтому цепь питания показывает один из путей движения вещества, но не весь круговорот.

Редуценты используют органические остатки как источник вещества и энергии и расщепляют сложные соединения на более простые. Химические элементы при этом возвращаются в почву, воду и атмосферу, откуда снова могут поступить к продуцентам. Именно возврат элементов замыкает круговорот: без разложения многие вещества оставались бы связанными в мёртвой органике. Круговорот включает живые организмы и резервуары неживой природы, а не только звенья пищевой цепи.

Энергия проходит через экосистему иначе, чем вещество. Часть её организм использует для жизненных процессов, а часть рассеивается в виде тепла и не возвращается к продуцентам как исходная энергия. Поэтому последовательные переходы не образуют замкнутого цикла. Для поддержания потока нужен постоянный приток энергии, обычно от Солнца.

Из-за этих потерь на каждом следующем трофическом уровне, как правило, доступно меньше энергии. Условно часто говорят, что передаётся около 10%, хотя реальная доля зависит от организмов и условий. Экологические пирамиды показывают это уменьшение, если сравнивают энергетические запасы уровней. Пирамиды численности и биомассы описывают другие показатели, поэтому их форма не всегда совпадает с формой пирамиды энергии.

Круговорот веществ и поток энергии в экосистеме

Сопоставляйте сначала направление: вещества возвращаются к началу цикла, энергия — нет. Затем проследите роль редуцентов: для круговорота они возвращают элементы в среду, но не восстанавливают исходный запас энергии. Таблица помогает не смешивать переход вещества с передачей энергии при питании.

Разбор задач

Задача 1. «Трава — заяц — лиса»

Условие: укажите, как перемещаются органическое вещество и энергия в цепи «трава — заяц — лиса». Нужно различить два процесса, хотя оба связаны с питанием. Проследим отдельно вещество и энергию.

1. Трава создаёт органические вещества, используя неорганические компоненты среды и энергию света.
2. Заяц получает часть органического вещества и энергии, когда питается травой; затем часть запасов зайца может перейти к лисе при её питании.
3. На каждом этапе не всё вещество усваивается, а энергия расходуется организмами и рассеивается как тепло. Остатки организмов и продукты жизнедеятельности могут быть разложены редуцентами, возвращающими элементы в среду.

Ответ: органическое вещество передаётся по цепи, а после разложения остатков его химические элементы возвращаются в среду. Энергия передаётся от травы к зайцу и лисе только частично и движется в одном направлении, постепенно рассеиваясь.

Задача 2. Разложение растительных остатков

Условие: после отмирания растений их органические остатки разлагаются бактериями и грибами. Определите, какие вещества возвращаются в среду и как они могут снова попасть в растения. Здесь нужно проследить не только разложение, но и следующий этап круговорота.

1. Редуценты расщепляют сложные органические вещества остатков на более простые соединения.
2. При разложении химические элементы переходят в доступные формы и оказываются в почве, воде или атмосфере. В частности, минеральные вещества могут остаться в почве, а углекислый газ — попасть в воздух.
3. Растения поглощают воду и минеральные вещества корнями, а углекислый газ — листьями. Затем эти компоненты используются при создании новых органических веществ.

Ответ: в среду возвращаются химические элементы в составе простых соединений, например минеральные вещества и углекислый газ. Продуценты поглощают их и снова включают в состав органического вещества; редуценты не создают элементы, а возвращают их из остатков.

Задача 3. Передача энергии по трофическим уровням

Условие: на первом трофическом уровне запасено 20 000 кДж энергии. Используя условное правило передачи около 10% на следующий уровень, оцените запас энергии у консументов второго и третьего уровней. Рассчитайте переходы по очереди, каждый раз беря 10% от предыдущего запаса.

1. Для второго уровня умножьте запас первого уровня на 0,1: 20 000 × 0,1 = 2 000 кДж.
2. Для третьего уровня возьмите 10% уже от 2 000 кДж: 2 000 × 0,1 = 200 кДж.
3. Сравните начальное и последующие значения: на каждом переходе доступная энергия уменьшается в десять раз по принятому условию. Это связано с расходами организмов и рассеиванием тепла, а не с исчезновением химических элементов.

Ответ: у консументов второго уровня — около 2 000 кДж, третьего — около 200 кДж. Правило 10% является приблизительным: в реальных экосистемах доля передачи зависит от условий и организмов.

Типичные ошибки

Ошибка: считать энергию замкнутым круговоротом, как вещества. Такое представление возникает потому, что энергия передаётся по пищевой цепи вместе с органическим веществом. Проверьте себя: если энергия возвращалась бы к исходному уровню без потерь, постоянный внешний источник не требовался бы, но в экосистеме энергия рассеивается как тепло.

Ошибка: думать, что редуценты создают вещества из ничего. Их роль иногда понимают неверно, потому что после разложения элементы снова становятся доступными растениям. На деле редуценты преобразуют вещества остатков; проверить это можно, проследив, откуда взялись элементы, — они уже входили в состав организмов.

Ошибка: полагать, что вся энергия пищи переходит на следующий трофический уровень. Пища действительно передаёт энергию, но организмы расходуют её на жизненные процессы, а часть энергии рассеивается. Чтобы проверить себя, вспомните условное правило 10%: даже оно показывает, что передаётся лишь доля запаса предыдущего уровня.

Ошибка: смешивать круговорот веществ с цепью питания. Цепь показывает порядок, в котором организмы поедают друг друга, поэтому легко принять её за весь путь вещества. Проверьте схему: полный круговорот должен включать неживую среду и разложение остатков редуцентами, а не только последовательность организмов.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в теме, нужно знать роли продуцентов, консументов и редуцентов, а также понятия цепи питания и трофического уровня. Фотосинтез объясняет, как энергия света используется для образования органических веществ, а дыхание — как организмы получают из них энергию и рассеивают часть её в виде тепла. Понимание круговоротов и потоков энергии помогает оценивать устойчивость экосистем и последствия воздействия человека на биосферу.

Что запомнить

• Вещества в экосистеме многократно переходят между организмами и неживой природой.
• Продуценты включают неорганические вещества в состав органического вещества.
• Консументы получают вещества и энергию, питаясь другими организмами.
• Редуценты разлагают остатки и возвращают химические элементы в среду.
• Энергия проходит через экосистему в одном направлении.
• При переходе между трофическими уровнями доступная энергия уменьшается.