Поток энергии и пищевые цепи

Сегодня мы поговорим о потоке энергии и пищевых цепях. Термин «поток» в экологии понимается как перенос, переход, передача, перемещение. Все это относится к органическому веществу и энергии, которые совершают биологический круговорот в природе.

«Единственный способ придать ограниченному количеству свойство бесконечного — заставить его вращаться по замкнутой кривой», — так пишет об этом явлении русский академик Василий Робертович Вильямс. Природа удивительно использовала это правило. На земном шаре происходит постоянное и вечное движение энергии, которое обеспечивает жизнь на планете.

Первоначальным источником энергии является Солнце. Все зеленые растения используют лучистую энергию Солнца для жизнедеятельности и создания органического вещества. Созданное органическое вещество и заключенная в нем энергия могут перемещаться по цепям питания. Вещества, которые перемещаются в экологической системе, могут использоваться несколько раз в круговороте веществ, а энергия может быть использована только один раз. Односторонний приток энергии от Солнца к Земле — это универсальное явление природы. К тому же энергия может переходить из одной формы в другую. Например, энергия солнечного света переходит в потенциальную энергию пищи, при этом энергия не создается вновь и не исчезает. В любых превращениях энергия частично теряется, превращается в недоступную тепловую энергию.

Жизнь всех экосистем зависит от постоянного притока и перемещения энергии. Механизм передачи энергии от одного организма к другому в любом сообществе называется пищевой связью, а канал для переноса энергии — пищевой цепью. Пищевая цепь состоит из трофических уровней. По мере перехода с одного уровня на другой количество энергии уменьшается.

Первый трофический уровень любой экологической системы всегда состоит из автотрофных организмов, которые создают органическое вещество. Представителями этого уровня являются все зеленые, способные к фотосинтезу растения.

Второй трофический уровень составляют все травоядные животные, их называют потребителями (консументами) первого порядка.

Следующий трофический уровень составляют плотоядные организмы, такие как хищники.

Совместное существование на одной территории объединяет все живые организмы в сложные пищевые цепочки. Необходимо отметить, что в разных экологических системах существует достаточное разнообразие живых организмов и источников питания.

Например, многообразная растительность смешанных и широколиственных лесов обеспечивает пищей таких млекопитающих, как зайцы, лоси, олени, косули, разные мелкие грызуны.

Первый трофический уровень здесь обеспечивает густая зеленая трава, земляника, бузина, малина, костяника, черника, кора деревьев, грибы и орехи.

В темных сырых местах растет мох, его едят олени. Многие мелкие животные и птицы питаются насекомыми.

Лисица, волк, медведь, рысь, куница, горностай, ласка и многие другие хищники отличаются от травоядных животных. Способом питания плотоядных организмов является охота на более мелких животных. Например, добычей для волка может стать заяц или же косуля. Лисица охотится на грызунов, разоряет их норки. Это уже представители второго и третьего трофического уровня.

Цепи питания животных в лесу с хвойной растительностью имеют свои особенности. В хвойных лесах мало света для развития густого травяного покрова. Здесь преобладают мох, лишайники и небольшие кустарники.

Растительность представлена бузиной, акацией желтой, земляникой, крапивой, чистотелом. Многочисленные травоядные хвойного леса — олени, лоси, зайцы, белки, грызуны. Они, в свою очередь, становятся добычей обитающих по соседству медведей, норок, росомах, рысей, лис, волков. Птицы лесов тоже входят в цепи питания. Среди них так же есть травоядные, которые живут за счет ягод и орехов. Всеядные птицы питаются ягодами, орехами, мелкими грызунами, рыбой, другими более мелкими птицами, насекомыми и червями. Нередко птицы сами становятся добычей хищников.

Все живые организмы в экологических системах связаны между собой энергетическими отношениями, поскольку являются объектами питания других организмов. В экологических системах создаются пищевые цепи из продуцентов, консументов и редуцентов. Кроме того, цепи питания могут соединяться, образовывать сети питания. Почти все виды животных, за исключением очень специализированных в пищевом отношении, используют не один источник пищи, а несколько.

Пищевые цепи в природе бывают двух видов.  Если пищевая цепь  начинается с фотосинтезирующих растений и заканчивается хищными животными, то такую цепь питания принято называть  пастбищной цепью. Второй вид цепи питания начинается с органических веществ мертвых тел растений и животных и заканчивается мелкими животными или бактериями, которые ими питаются. Это цепь разложения.

Организм обычно усваивает пищу не полностью. Неусвоенная пища вновь возвращается во внешнюю среду и может быть использована редуцентами в других цепях питания.

Основная часть  энергии, которая заключена в пище, используется для обеспечения процессов жизнедеятельности организма. Часть полученной организмом энергии тратится на образование новых клеток, тканей или на запасание питательных веществ. Энергия теряется в виде тепла в процессе дыхания, и на следующий уровень поступает не вся энергия предыдущего уровня. Поэтому число трофических уровней чаще всего бывает небольшим. Большая часть энергии в цепи питания при переходе с одного уровня на другой теряется. К следующему звену поступает только та энергия, которая заключена в массе предыдущего звена. Снижение энергии в ряду трофических уровней показано в структуре экологических пирамид.

Экологическая пирамида — это графическое изображение соотношения различных трофических уровней пищевой цепи.

Экологические пирамиды могут быть трех типов: пирамида численности, пирамида биомассы и пирамида энергии. Из всех трех пирамид экологи выделяют пирамиду энергии. Они считают, что именно такая пирамида наиболее  полно отображает связи между организмами на разных трофических уровнях. Она очень хорошо демонстрирует «правило десяти процентов».

Каждая ступенька такой пирамиды отражает количество энергии, которое переходит с одного трофического уровня на другой.

В 1942 г. американский эколог Раймонд Линдеман сформулировал закон пирамиды энергии, согласно которому с одного трофического уровня на другой через пищевые цепи переходит в среднем около 10 % энергии, поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды. В результате организмы теряют в каждом звене пищевой цепи около 90 % всей энергии. Следовательно, для получения 1 кг окуней должно быть израсходовано приблизительно 10 кг рыбьей молоди, 100 кг зоопланктона и 1000 кг фитопланктона.

С потоком энергии в экосистеме тесно связана биомасса, которая накапливается в виде органических соединений. Количественно ее выражают в энергетических единицах калориях или джоулях.