**** 2 - Euroakadeemia

Тема 2. Энергия в экосистемах
Фундаментальные концепции, связанные с энергией
•
•
Энергию можно определить как способность совершать работу.
Все живые организмы можно рассматривать как работающие машины, которые
не могут работать и оставаться живыми без постоянного притока энергии.
•
Ю. Одум, Экология, 1986
Энергия необходима живым организмам для того, чтобы осуществлять множество
различных жизненно важных процессов:
• Химический синтез веществ, необходимых для роста и восстановления тканей.
• Активный транспорт веществ в клетку и из клетки.
• Электрическая передача нервных импульсов.
• Механическое сокращение мышц (движение).
• Поддержание постоянной температуры тела ( у птиц и млекопитающих).
• Излучение света (у светляков и некоторых глубоководных морских животных).
• Электрические разряды (у электрического угря).
Свойства энергии описываются следующими законами :
Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии гласит, что энергия
может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается заново.
Т.е. для любого химического процесса общая энергия системы и ее окружения всегда
остается постоянной.
Энергия не исчезает и не возникает вновь, если какаялибо система приобретает энергию, то такое же
количество энергии должно изыматься из ее
окружения.
Энергия может перераспределяться, переходить в
другую форму, но она не может исчезать.
•
Энергия существует в разнообразных формах – может быть световой,
химической, тепловой, электрической, механической, звуковой. Эти формы
энергии могут переходить друг в друга, т.е. они взаимопревращаемы.
• Пример:
• сжигание газа
электрическая энергия
тепловая энергия
механическая энергия
тепловая или световая
Второй закон термодинамики – процессы, связанные с превращением энергии, могут
проходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из
концентрированной формы в рассеянную (деградирует).
Или - поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде недоступной для
использования тепловой энергии, эффективность самопроизвольного превращения
кинетической энергии (например, света) в потенциальную (например, энергию
химических соединений протоплазмы) всегда меньше 100%.
Энтропия
• Энтропия (от греч. еntropia – поворот, превращение) – мера
количества связанной энергии, которая становится недоступной для
использования.
• Термин используется как мера изменения упорядоченности, которая
происходит при деградации энергии.
• Система и ее окружение , будучи предоставлены самим себе,
приближаются обычно к состоянию максимальной
неупорядоченности (энтропии).
• Высокоупорядоченные системы легко разрушаются,
если на поддержание их упорядоченности не
затрачивается энергия.
Все биологические системы подчиняются этим двум законам
термодинамики и управляются ими.
Объяснения
•
•
•
Все разнообразие проявлений жизни сопровождается превращениями энергии,
но энергия при этом не создается и не уничтожается (1-й закон
термодинамики).
Наша цивилизация – лишь одно из явлений природы, зависящих от постоянного
притока концентрированной энергии светового излучения Солнца.
Экология, по сути, изучает связь между светом и экологическими системами и
способы превращения энергии внутри системы.
•
Одум, 1986
•
Как следует из 2-го закона термодинамики, любой вид энергии в конечном
счете превращается в тепло – форму энергии, наименее пригодную для
превращения в работу и наиболее легко рассеивающуюся.
Лишь очень небольшая часть световой энергии, поглощенной зелеными
растениями, превращается в потенциальную энергию пищи, большая ее часть
превращается в тепло, покидающее растение, экосистему и биосферу.
Весь остальной живой мир получает необходимую потенциальную химическую
энергию из органических веществ, созданных фотосинтезирующими
растениями.
•
•
-
ПИЩЕВЫЕ ОТНОШЕНИЯ
Основные понятия:
Пищевые цепи и пищевые сети
Продуценты, консументы; автотрофы и гетеротрофы;
Поток энергии через пищевые цепи;
Пастбищные, паразитные и детритные пищевые цепи;
Трофические уровни в пищевой сети;
- Закон 10%, и как использовать этот закон для оценки
доступной энергии;
- Экологические пирамиды;
- Концентрирование различных веществ и химических
элементов в пищевой цепи.
Термины:
 Процесс приобретения энергии и вещества называется питанием.

Дыхание – процесс, с помощью которого живые организмы высвобождают
энергию из богатых ею веществ, полученных с пищей.
Внутри экосистемы содержащие энергию органические вещества создаются
автотрофными организмами и служат пищей (источником вещества и энергии) для
гетеротрофов.
Первичные продуценты –
Автотрофные организмы , в основном зеленые растения, осуществляющие фотосинтез.
Фотосинтетики превращают солнечную энергию (энергию света) в химическую
энергию, заключенную в органических молекулах, из которых построены их ткани.
• В водных экосистемах главными продуцентами являются водоросли –
одноклеточные организмы, составляющие фитопланктон поверхностных слоев
океанов и озер.
• На суше большую часть первичной продукции поставляют более
высокоорганизованные формы – высшие растения. Они формируют леса, степи
и т.п.
Первичные консументы
питаются первичными продуцентами, т.е. это травоядные животные.
• На суше - насекомые, рептилии, птицы и млекопитающие. Наиболее важные
группы травоядных – грызуны и копытные.
• В водных экосистемах травоядные формы представлены молюсками и мелкими
ракообразными. Вместе с простейшими они составляют зоопланктон,
питающийся фитопланктоном
• К первичным консументам относятся также паразиты растений (грибы,
животные).
Консументы второго и третьего порядка
•
•
•
Вторичные консументы питаются травоядными – плотоядные животные, также
как и третичные консументы, поедающие консументов второго порядка.
Консументы второго и третьего порядка могут быть хищниками, т.е.
охотиться и убивать свою жертву, могут питаться падалью или быть паразитами.
Паразиты по величине меньше своих хозяев.
В типичных пищевых цепях хищников плотоядные животные оказываются
крупнее на каждом следующем трофическом уровне.
Энергия движется через биосферу в виде богатых
энергией молекул, которые первоначально образовались и
накопились в продуцентах.
Продуценты поедаются потребителями- консументами.
Как продуценты, так и консументы получают необходимую энергию
из энергоемких молекул.
Энергия, которая фиксирована продуцентами или
аккумулирована консументамии не использована ими,
освобождается деструкторами. Такие пищевые отношения
возможно описать при помощи диаграмм пищевых цепей
или пищевых сетей.
Поток энергии в экосистеме – пищевая цепь
ЭКОСИСТЕМА
Солнечная
радиация
Продуценты
Консументы
Консументы
Деструкторы
Энергия выходит из экосистемы в виде тепла
Пищевая цепь – это повторяемые, последующие поедания
особями одного вида особей другого вида.
В этом процессе энергия передается от одного организма к
другому.
Пищевые цепи редко бывают изолированными.
Несколько перекрещивающихся пищевых цепей формируют
пищевую сеть.
Объяснения:
Продуцент – РАСТЕНИЕ - использует солнечную световую
энергию для производства энергоемких молекул в процессе
фотосинтеза.
Большинство из произведенных молекул увеличивают
массу растительных тканей.
Часть из возникших молекул разлагаются сразу, и полученная
энергия используется для жизнедеятельности растения, в том
числе и для формирования новых молекул.
В течение жизни растение использует большую часть энергии
для выживания и продуцирования потомства.
После гибели растения, мертвые ткани содержат определенное
количество энергии, которая используется деструкторами.
Растительную массу использует и человек, или же остатки
мертвой массы погружаются в отложения.
Травоядные или ГЕРБИВОРЫ– это организмы, которые
питаются растительными тканями. Травоядные должны
разрушить энергоемкие молекулы для освобождения энергии,
необходимой для жизнедеятельности.
Травоядные, являются гетеротрофами – т.е.
«поедающими других».
Как и растения, травоядные используют большую часть полученной
энергии для поддержания процессов жизнедеятельности – роста и
размножения.
Плотоядные или хищники, или КАРНИВОРЫ - это организмы, которые
питаются травоядными.
Как и травоядные, плотоядные не могут использовать солнечную энергию
прямо. Для того, чтобы получить необходимую энергию, они поедают
травоядных.
Подобно травоядным, плотоядные используют энергию для выживания,
роста и размножения.
Часть видов плотоядных питаются другими плотоядными.
Эти плотоядные являются верхними плотоядными или верхними
хищниками.
Человек часто является именно верхним хищником.
Деструкторы живут за счет энергоемких молекул,
получаемых из мертвого органического вещества (тканей).
Деструкторы расходуют энергию на дыхание, а также
на размножение и создание новых тканей.
В природе не существует идеальных пищевых цепей, где
энергия передается прямо от продуцентов к первичным
потребителям, а затем вторичным и наконец к деструкторам.
Довольно широко распространены специфические пищевые цепи,
такие как паразитные и детритные.
 В паразитной пищевой цепи энергия передается от более
крупного организма к малому. Паразитом могут быть заражены
как продуценты, так и консументы.
 В детритной пищевой цепи травоядные живут за счет
органического вещества, поступающего из других экосистем, и,
следовательно, они не питаются продуцентами. Примером
этого могут служить насекомые, питающиеся пыльцой.
Эти насекомые в свою очередь поедаются пауками.
Трофический уровень организма определяется
количеством ступеней, отделяющих его от первичных
продуцентов (растениий).
• Первичные продуценты расположены на первом трофическом
уровне. Одна из возможностей анализировать пищевые
отношения – это установить принадлежность организма к
трофическим уровням.
• Вероятно, одним видом растения питается больше, чем один
вид травоядного. Также этими травоядными питается
не один хищник. Таким образом из простых цепей
формируется сложная пищевая сеть, в которой переплетаются
многие пищевые цепи.
• Если два организма находятся на равном расстоянии от
продуцента, то они занимают один и тот же трофический
уровень. На одном уровне могут находиться различные виды,
хотя они не питаются одним и тем же видом.
Мелководная экосистема с трофическими уровнями
Четвертый
крачка
Третий
килька
Второй
треска
краб
краб
зоопланктон
креветки
Первый
Поверхностные
диатомы
устрицы
Водоросли и
детрит на
границе воды
Если сложить все рассмотренные диаграммы, получим
определенное представление о том, как происходит передача
энергии от одного компонента экосистемы к другому.
Однако, знание принципиальных путей передачи энергии мало
для того, чтобы оценить «работу» экосистемы. Кроме путей и
переходов необходимо знать и количество энергии в отдельных
звеньях пищевых цепей и сетей.
Одной из возможностей оценить происходящие в экосистемах
процессы является измерение количества энергии на каждом
трофическом уровне. Поток энергии выражается как
калории на квадратный сантиметр или же Ккал/м2/год.
Большая часть энергии в пищевой сети используется
для дыхания, т.е. для жизнеобеспечения.
“Закон 10% “ или Закон пирамиды энергий
(сформулированный Р. Линдеманом)утверждает, что только
десять процентов энергии, находящейся на определенном
трофическом уровне, передается на следующий трофический уровень.
По Второму закону термодинамики каждый перенос энергии
сопровождается существенной потерей энергии в виде рассеивания в
среде.
Анализ потока энергии в экосистеме подтверждает эту
закономерность.
Закон десяти процентов также определяет количество трофических
уровней. Полезной энергии хватает обычно на 4-5 трофических
уровня.
По техническим причинам невозможно измерить все теоретически
оцененные переходы энергии.
Несмотря на это, возможно сделать следующие выводы:
• только небольшая часть солнечной энергии, достигшая
продуцентов, превращается в энергию органического вещества;
• большая часть фиксированной продуцентами энергии
используется для дыхания - она выходит из экосистемы;
- общее количество энергии на определенном трофическом
уровне значительно меньше, чем на более низких уровнях;
- деструкторы получают энергию из мертвого органического
вещества, которое поступает со всех трофических уровней.
концепции, связанные с энергией, закон энтропии. Продуктивность. Пищевые цепи,
пищевые сети и трофические уровни. Экологические пирамиды.
Трофическую структуру экосистем можно охарактеризовать при помощи т.н.
экологических пирамид.
Возможно построить различные экологические пирамиды:
Пирамиды численности
Пирамиды биомассы
Пирамиды энергии
Экологические пирамиды
Пирамида численности
1 мальчик
4.5 теленка
20,000,000 (2 x 10 7) растений люцерны
Пирамида биомассы
Мальчик 4.72 x 10 4g
Мясо 9.62 x 10 5 g
Растения люцерны 8.03 x 10 7 g
Пирамида энергии
Рост тканей человека - 8.3x103 C
Продукция мяса - 1.19x106 C
Продукция люцерны – 4,9x108 C
Энергия, полученная от солнца - 6.3 x 10 10 C
Фундаментальным положением концепции пищевых цепей
является обстоятельство, что определенные вещества
концентрируются в определенных звеньях пищевой цепи. Это
иногда называют «биологическим усилением».
Организм получает энергию в виде пищи, и только определенная
часть вещества используется для построения организма.
Примерно 50% из полученной энергии идет на дыхание. Некоторая
часть поступающего с пищей вещества не включена в процесс
дыхания и не выделяется. Поэтому эти вещества аккумулируются
(концентрируются) в различных тканях.
Такими веществами, например, являются многие техногенные
загрязнители (сера, тяжелые металлы, диоксины, радиоактивные
вещества, пестициды и др. хлорорганические вещества).