Потоки вещества и энергии в экосистеме

Определения и обозначения

Пищевая цепь — последовательность организмов, в которой каждый предыдущий служит пищей следующему. Вместе с пищей передаются вещества и содержащаяся в ней энергия. Цепь помогает проследить, откуда организм получает ресурсы и кому они могут достаться после его поедания.

Трофический уровень — место организма в пищевой цепи, определяемое тем, как он получает пищу. Например, растения относятся к первому уровню, а питающиеся ими травоядные — к следующему. Это понятие нужно, чтобы сравнивать положение организмов и движение энергии в цепи.

Экологическая пирамида — изображение соотношения численности организмов, их биомассы или запаса энергии на разных трофических уровнях. Основание обычно представляет производителей, а расположенные выше ступени — потребителей. Пирамида позволяет увидеть, как меняются эти показатели по мере продвижения по цепи.

Правило 10 процентов — средняя оценка, согласно которой к следующему трофическому уровню переходит примерно десятая часть энергии предыдущего. Остальная энергия расходуется организмами или рассеивается в виде тепла. Правило помогает приблизительно оценить доступную энергию, но не задаёт точную долю для каждой экосистемы.

Как это устроено

Для большинства экосистем исходным источником энергии служит Солнце. Производители, прежде всего растения, улавливают свет при фотосинтезе и используют его, чтобы создавать органические вещества. Поэтому энергия попадает в пищевые связи через производителей, а затем становится доступной организмам, которые ими питаются. Без этого поступления запас энергии в экосистеме постепенно истощался бы.

Пищевые связи включают организмы с разными способами питания. Производители создают органические вещества, консументы получают их, поедая растения или других животных, а редуценты разлагают остатки и отходы. Такое разделение показывает, почему роль организма определяется не только его видом, но и тем, что именно он ест. Редуценты завершают разложение органики и делают минеральные вещества доступными для нового использования.

В природе редко существует только одна изолированная пищевая цепь. Один организм может питаться несколькими видами, а сам становиться добычей разных хищников, поэтому отдельные цепи переплетаются в пищевую сеть. Например, лиса может охотиться на зайцев и грызунов, а каждый из них питается разными растениями. Сеть точнее показывает реальные связи и помогает понять, почему изменение численности одного вида может отразиться на других.

Вещества в экосистеме многократно переходят из одной формы в другую. Производители поглощают минеральные вещества из среды и включают их в органические соединения; консументы получают эти соединения с пищей. Когда организмы выделяют отходы или погибают, редуценты разлагают остатки и возвращают минеральные вещества в почву, воду или воздух. Их снова используют производители, поэтому вещества совершают круговорот.

Энергия ведёт себя иначе: она проходит от источника через производителей и потребителей, но не возвращается к началу цепи. Организм тратит значительную часть полученной энергии на дыхание, движение, поддержание жизнедеятельности и рост, а часть рассеивается как тепло. Поэтому следующему уровню достаётся лишь доля энергии, заключённой в пище. По этой причине длинные цепи встречаются реже, а верхние уровни обычно имеют меньший запас энергии.

Передача вещества и энергии в экосистеме

Сопоставляйте строки по столбцам: так можно проследить, кто получает ресурсы и кому или куда их передаёт. Обратите внимание, что редуценты возвращают в среду вещества, но не возвращают рассеянную энергию. Строки о переходе между уровнями и круговороте показывают, почему судьба энергии и вещества различается.

Разбор задач

Пищевая цепь из травы, лисицы и зайца

Условие. Составьте пищевую цепь из организмов: трава, лисица, заяц. Укажите направление передачи вещества и энергии. Сначала выясним, кто создаёт органические вещества, а кто получает их с пищей. Затем расположим организмы от источника пищи к потребителям.

1. Трава — производитель: она создаёт органические вещества и может служить пищей зайцу. Значит, трава должна стоять в начале цепи.
2. Заяц питается травой, поэтому следующим ставим зайца. Лисица может питаться зайцем, значит, она занимает следующее место.
3. Проводим стрелки от пищи к тому, кто её ест. Получаем: трава → заяц → лисица.

Ответ. Трава → заяц → лисица. По стрелкам передаются органические вещества и энергия, заключённая в пище; направление от лисицы к зайцу было бы неверным.

Передача энергии между трофическими уровнями

Условие. Запас энергии производителей равен 20 000 кДж. Оцените, сколько энергии в среднем может перейти к консументам первого и второго порядка. Используйте правило 10 процентов. Здесь нужно выполнить два последовательных перехода, а не сразу вычислять долю от исходного запаса для второго уровня.

1. К консументам первого порядка переходит около одной десятой энергии производителей: 20 000 × 0,1 = 2 000 кДж. Это оценка, поскольку фактическая передача может отличаться.
2. К консументам второго порядка переходит около одной десятой от энергии первого порядка. Вычисляем: 2 000 × 0,1 = 200 кДж.
3. Проверяем уровни: производители — исходные 20 000 кДж, консументы первого порядка — около 2 000 кДж, второго — около 200 кДж. При каждом шаге доля берётся от предыдущего уровня.

Ответ. Консументы первого порядка получают в среднем около 2 000 кДж, второго порядка — около 200 кДж.

Исчезновение редуцентов

Условие. Объясните, как изменятся круговорот вещества и поток энергии, если из экосистемы исчезнут редуценты. Для ответа нужно отдельно проследить судьбу органических остатков и направление передачи энергии. Эти процессы связаны с разными свойствами вещества и энергии.

1. Без редуцентов остатки погибших организмов и отходы не будут нормально разлагаться. Минеральные вещества станут хуже возвращаться в почву и воду, поэтому производителям будет труднее их получать.
2. Круговорот вещества нарушится: минеральные соединения не смогут в достаточной мере снова включаться в органические вещества производителей. Со временем это повлияет и на консументов, поскольку уменьшится количество доступной пищи.
3. Поток энергии не станет круговоротом. Энергия по-прежнему будет поступать от Солнца и переходить между организмами, а часть её будет рассеиваться как тепло.

Ответ. При исчезновении редуцентов нарушится возврат минеральных веществ и ослабнет их повторное использование. Однонаправленный поток энергии не превратится в круговорот.

Типичные ошибки

Стрелку в пищевой цепи иногда направляют от хищника к добыче, потому что воспринимают её как указание на охоту. Но стрелка показывает, куда переходят вещество и энергия: от пищи к потребителю. Проверка простая: прочитайте цепь вслух со словами «служит пищей для».

Поток энергии иногда называют круговоротом по аналогии с движением веществ. Это неверно: энергия проходит через организмы и рассеивается в виде тепла, тогда как вещества возвращаются в среду и используются повторно. Проверьте себя вопросом: может ли рассеянная энергия снова стать пищей для производителя?

Правило 10 процентов могут принять за точное значение для любой пищевой цепи. Его называют правилом, поэтому легко забыть, что это средняя оценка: реальная доля зависит от организмов и условий. Если задача не даёт другого значения, используйте 10 процентов как приближение, а не как универсальный закон для каждого перехода.

Редуцентам иногда приписывают создание минеральных веществ из ничего. На деле они разлагают уже существующие органические остатки и возвращают вещества в среду. Чтобы проверить объяснение, проследите путь: остатки организмов — разложение — минеральные вещества — использование производителями.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в теме, нужно различать производителей, потребителей и разрушителей по способу питания: от этого зависит их место в пищевой цепи. Связь с фотосинтезом объясняет, как энергия Солнца поступает в экосистему и как образуются органические вещества. Круговороты веществ показывают, почему минеральные соединения снова используются организмами. Пищевые сети и трофические уровни пригодятся при изучении устойчивости экосистем и последствий влияния человека на природу.

Что запомнить

• Производители вводят энергию Солнца в экосистему.
• Пищевые цепи показывают передачу вещества и энергии между организмами.
• Пищевые цепи обычно объединяются в пищевые сети.
• На следующий трофический уровень переходит лишь часть энергии.
• Энергия движется через экосистему в одном направлении и рассеивается в виде тепла.
• Вещества возвращаются в среду благодаря деятельности редуцентов и снова используются организмами.