ЭНЕРГИЯ В ЭКОСИСТЕМАХ Иллюстрации к курсу Экология Лектор

ЭНЕРГИЯ В ЭКОСИСТЕМАХ Иллюстрации к курсу «Экология» Лектор: к. т. н. П. Ф. Агаханянц

n Закон сохранения энергии ет ву ст (≈1 закон термодинамики) м ей те Д с синичего и Энергия не может возникнуть из ко я э она может не может исчезнуть в никуда, дл только переходить из одной формы в другую.

Что является источником энергии экосистем? n n Источник энергии для растений? Источник энергии для животных? Источник энергии для микроорганизмов? Источник энергии для грибов?

Формы энергии в экосистеме n n Энергия солнечного света Химическая энергия органических веществ. Механическая энергия (ветер, течения). Тепловая энергия окружающей среды. Каждая форма энергии может использоваться только в определенных целях.

2 закон термодинамики Энтропия изолированной (закрытой) системы не может уменьшаться. n ≈самопроизвольно в замкнутой системе протекают только процессы, сопровождающиеся ростом энтропии. n

Энтропия n Низкоэнтропийное состояние n Высокоэнтропийное состояние

2 закон термодинамики Энтропия изолированной системы не может уменьшаться. n ТО ЕСТЬ: самопроизвольно происходят только процессы рассеивания энергии, уменьшения ее «качества» . n НО: экосистемы не являются изолированными системами. n

Поток энергии в экосистеме n n Энергия в экосистеме не совершает круговорот, а постепенно трансформируется в тепловую энергию и уходит из экосистемы. Поэтому необходимым условием существования экосистемы является постоянный приток энергии извне.

Спектры солнечного излучения УФ Видимый Инфракрасный Энергия (ватт/м 2) Солнечный свет на верхней границе атмосферы Солнечный свет на уровне моря Длина волны, нм

n Как эта энергия распределяется и как она попадает в экосистемы?

Распределение энергии солнечного излучения (в % от годового поступления в биосферу) % Отражается от поверхности Земли и облаков 30 Нагревает атмосферу и поверхность Земли 46 Испарение осадки 23 Ветер, волны, течения 0, 2 Фотосинтез 0, 8 Энергия приливов около 0. 0017% солнечной энергии Тепло Земли около 0, 5% солнечной энергии

Превращение энергии Солнца в энергию пищи путем фотосинтеза Солнце

Фотосинтез СО 2 + H 2 O + энергия солнечного света C 6 H 12 O 6 + O 2 n n n Энергия концентрируется и запасается Процесс нуждается в энергии света Продукт – молекула гексозы (глюкоза, фруктоза), которая затем используется n n n для синтеза тканей организма и как источник энергии. Образующийся кислород является побочным продуктом

Фотосинтез n n n Энергия света в процессе фотосинтеза используется для синтеза органических соединений из углекислого газа (СО 2) и воды. Фотосинтез осуществляется фотоавтотрофными организмами – растениями, водорослями, определенными бактериями. Жизненно необходимый для высших организмов атмосферный кислород также поступает в атмосферу преимущественно благодаря фотосинтезу.

Схема фотосинтеза

Хлорофилл n Использование энергии фотона для химической рекации – сложный процесс, в котором участвует хлорофилл – зеленый пигмент, содержащий ионы Мg+

Автотрофы n n Автотрофы ( «самопитающие» ) – организмы, образующие органическое вещество своего тела из неорганических веществ – диоксида углерода и воды – посредством процессов фотосинтеза и хемосинтеза. Фотосинтез осуществляют фотоавтотрофы – все зеленые растения, водоросли и фотосинтезирующие микроорганизмы.

Автотрофы n Хемосинтез наблюдается у некоторых хемоавтотрофных бактерий, которые используют в качестве источника энергии окисление водорода, серы, сероводорода, аммиака, железа. n n Хемоавтотрофы в природных экосистемах играют относительно небольшую роль (за исключением нитрифицирующих бактерий). Автотрофы составляют основную массу всех живых существ и полностью отвечают за образование всего нового органического вещества в любой экосистеме.

Гетеротрофы n Гетеротрофы ( «питающиеся другими» ) – организмы, потребляющие готовое органическое вещество других организмов и продуктов их жизнедеятельности.

Разложение в биосфере 1. Аэробное дыхание C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 6 H 2 О + 6 CO 2 + энергия для функционирования организма 2. Анаэробное дыхание 3. Брожение

Трофические цепи n Перенос энергии пищи от ее источника – автотрофов через ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими, называется трофической (пищевой) цепью

Трофический уровень n Организмы в экосистемах, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней, принадлежат к одному трофическому уровню: n n зеленые растения занимают 1 -ый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные – 2 -ой (уровень первичных консументов), первичные хищники, поедающие травоядных – 3 ий (уровень вторичных консументов), вторичные хищники – 4 -ый (уровень третичных консументов).

Разложение в экосистеме n Редуценты (деструкторы, сапротрофы, микроконсументы) – организмы, гл. обр. бактерии и грибы, в ходе всей жизнедеятельности превращающие органические остатки в неорганические вещества.

Свойства трофических цепей n При каждом очередном переносе большая часть (80 -90%) потенциальной энергии теряется, переходя в тепло. n n Правило 1% (правило Линдемана): Среднемаксимальная эффективность фотосинтеза составляет 1% Правило 10%: Средний переход энергии с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой составляет 10% (7 -17%)

Свойства n Чем короче пищевая цепь (чем ближе организм к ее началу), тем больше количество энергии, доступной для популяции.

Два основных типа пищевых цепей: n n Пастбищная цепь начинается с зеленого растения и идет далее к пасущимся растительноядным животным и к хищникам, Детритная цепь от мертвого органического вещества идет к микроорганизмам, а затем к детритофагам и к их хищникам.

Поток энергии в экосистеме по пастбищной и детритной пищевым цепям

Упрощенная схема переноса веществ и энергии в экосистеме

Свойства n Пищевые цепи не изолированы одна от другой, а тесно переплетаются друг с другом, образуя так называемые пищевые сети.

Пищевая сеть

Часть пищевой сети в сообществе небольшого ручья в Южном Уэльсе «Открытая» система в которую часть основной пищи поступает извне

Схема пищевой сети Северного моря Количества энергии, переносимой по пастбищной и детритной пищевым цепям, ккал/м 2

Схема основных пищевых цепей в пруду для спортивной рыбной ловли (США, Джорджия). Поступление энергии в ккал/м 2

Вторичная продуктивность рыбы Экосистема и трофический уровень Сбор человеком кг/га*год ккал/кв. м*год Мировое морское рыболовство (в среднем) 1, 665 0, 3 Северное море 29, 97 5, 0 Великие озера 1, 11– 7, 77 0, 2– 1, 6 2, 22– 249, 75 0, 4– 50 2, 22– 177, 6 0, 4– 36 I. Неудобряемые естественные водоемы Различные хищники (природные популяции) Африканские озера Небольшие озера в США

Вторичная продуктивность рыбы Экосистема и трофический уровень Сбор человеком кг / га * год ккал / кв. м * год 44, 4– 166, 5 9– 34 111– 388, 5 22– 80 1665 335 Разводимые хищники Рыбные пруды в США (спортивное рыболовство) Разводимые растительноядные Рыбные пруды в Германии (карп) II. Область апвеллинга (мощный естественный приток питательных веществ) Перуанского течения, в основном – анчоусы

Вторичная продуктивность рыбы III. Искусственно удобряемые воды кг / га * год ккал / кв. м * год Разводимые хищники Рыбные пруды в США (спортивное рыболовство) 222– 555 45– 112 555– 1110 112– 202 1110– 1665 202– 336 Разводимые растительноядные Филиппинские морские пруды (ханос) Рыбные пруды в Германии (карп)

Вторичная продуктивность рыбы III. Искусственно удобряемые воды кг/га*год ккал /кв. м*год IV. Удобряемые водоемы и внесение пищи извне Хищники Пруд площадью 0, 4 га, США 2220 450 Гонконг 2220– 4440 450– 900 Южный Китай 1110– 14985 202– 3024 3885 785 Растительноядные Малайзия

Детритная пищевая цепь, основанная па листьях мангровых деревьев, падающих в мелководный эстуарий на юге Флориды.

Фрагменты листьев, обработанные сапротрофами и заселенные водорослями, поедаются одними животными и после прохождения через их кишечник снова поедаются другими животными (копрофагия), относящимися к группе мелких потребителей детрита; они в свою очередь служат основной пищей промысловой рыбы, цапель, аистов и ибисов.

Продуктивность n Первичная продуктивность – скорость, с которой лучистая энергия усваивается организмами-продуцентами (гл. обр. зелеными растениями) в процессе фотосинтеза, накапливаясь в форме органических веществ.

Упрощенная схема потока энергии в экосистеме (три трофических уровня)

Условные обозначения I - общее поступление энергии LA - свет, поглощаемый растительным покровом РG - валовая первичная продукция; А - общая ассимиляция РN - чистая первичная продукция Р - вторичная продукция (консументов) NU - не используемая (накапливаемая или «экспортируемая» ) энергия NА – не ассимилированная консументами (выделенная с выделениями, экскрементами) энергия R - дыхание Цифры внизу – порядок величины потерь энергии при каждом переносе, начиная с поступления солнечного излучения в количество 3000 ккал/кв. м*сут

Последовательные уровни продуктивности: n n n 1. Валовая первичная продуктивность (ассимиляция) – общая скорость фотосинтеза, включая те органические вещества, которые за время измерений были израсходованы на дыхание. 2. Чистая первичная продуктивность – скорость накопления органического вещества в растительных тканях за вычетом того органического вещества, которое использовалось при дыхании растений за изучаемый период. чтобы оценить валовую продукцию, данные по дыханию складывают с данными, полученными при измерении «наблюдаемого» фотосинтеза.

Последовательные уровни продуктивности: n n n 3. Чистая продуктивность сообщества – скорость накопления органического вещества, не потребленного гетеротрофами (т. е. чистая первичная продукция минус потребление гетеротрофами) за учетный период (вегетационный период или год). 4. Ассимиляция на гетеротрофном уровне – общий поток энергии на гетеротрофном уровне, аналогичный валовой продукции в случае автотрофов. 5. Вторичная продуктивность – скорость накопления энергии на уровнях консументов. Вторичную продуктивность не делят на «валовую» и «чистую» .

Поток энергии 1. Дыхание растения Используемая доля валовой продукции 25 Валовая первичная продукция 2. Симбиотический микроорганизм (азотфиксирующие бактерии и микоризные грибы) 75 5 Чистая первичная продукция с учетом расходов на нужды полезных симбионтов 3. Корневые нематоды, растительноядные насекомые и патогены ( «вредители» ) 70 5 (!) Чистая продукция сообщества с учетом минимального потребления вредителями 4. Бобы, собираемые человеком (экспорт из экосистемы) 65 32 Стебли, листья и корни, оставляемые в поле 5. Органическое вещество, разложенное в почве и подстилке Годовой прирост Остающаяся доля валовой продукции, % 33 33 0

Трофические пирамиды Совокупности трофических уровней различных экосистем моделируются с помощью трофических пирамид n n n Пирамиды чисел Пирамиды биомасс Пирамиды энергий

Пирамида чисел – отображение числа особей на каждом из трофических уровней данной экосистемы n Для пастбищных цепей в травяных сообществах имеют широкое основание и резкое сужение к конечным консументам. n «Ширина ступеней» различается не менее, чем на 1 -3 порядка. n В лесных сообществах имеют узкое основание и расширение к консументам: на одном дереве могут кормиться тысячи фитофагов n На одном трофическом уровне могут оказаться такие разные фитофаги, как тля или слон

Р – продуценты, С 1 – первичные консументы, С 2 – вторичные консументы, С 3 – третичные консументы (верховные хищники), S – сапротрофы (бактерии и грибы), R – редуценты (бактерии, грибы и детритофаги)

Пирамиды биомасс – отображение биомассы/калорийности на каждом из трофических уровней данной экосистемы n В наземных экосистемах биомасса растений всегда существенно больше биомассы животных. n В наземных экосистемах биомасса фитофагов всегда больше биомассы зоофагов. n В водных, особенно морских экосистемах, биомасса животных обычно намного больше биомассы растений, так как пирамиды биомасс не учитывают продолжительность существования поколений особей на разных трофических уровнях и скорость образования и выедания биомассы. Главный продуцент морских экосистем – фитопланктон, имеющий большой репродуктивный потенциал и быструю смену поколений. В океане за год может смениться до 50 поколений фитопланктона.

Пирамиды биомасс

Пирамиды энергий – отображение скоростей образования живого вещества, т. е. продуктивности на каждом из трофических уровней данной экосистемы. n Являются универсальным способом выражения трофической структуры экосистем пирамиды.

n Какова продуктивность основных экосистем Земли?

Площади, биомасса и продуктивность основных биомов Земли