Цепи питания и трофические уровни в экосистеме
Тема 3. Первичная продукция и энергетический обмен
Cодержаниe:
Первый закон термодинамики
Второй закон термодинамики
Поток энергии в экосистеме
Трофические уровни
Трофические (экологические) пирамиды
Пищевые цепи и сети
Закон Линдемана о 10% энергии
Эффективность экосистем
Процессы экосистемы
Каждый живой организм должен иметь постоянный запас химической энергии или топлива. Фотосинтез производит топливо, необходимое организму путем преобразования энергии света в химическую энергию, которая хранится в углеродных соединениях.
Организмы, которые не фотосинтезируют должны получить свою энергию, потребляя растения или растения, переработаные каким-нибудь животным. В конечном счете, тепловая энергии излучается обратно в Солнечную систему из земли, чтобы соответствовать входящей энергии от солнца.
Мы знаем, что все организмы нуждаются в ряде минералов или химических веществ, чтобы выжить в дополнение к источнику энергии. В отличие от солнца, земля не имеет свежий источник химических веществ; химические вещества должны быть переработаны и использованы снова и снова. Потребность в энергоснабжении и резерве химических веществ являются основой для двух основных процессов экосистемы: потока энергии и круговорота веществ. Эти два процесса связаны между собой, но не совсем то же самое.
Преобразование энергии
Поток энергии экосистеме происходит в открытой системе, солнце постоянно дает планете энергию в виде света, которая в конечном счете используется и теряется в виде тепла на каждом трофическром уровне пищевой сети. Преобразование энергии в экосистемах происходит в соответствии с универсальными законами термодинамики:
Первый закон термодинамики (Сохранение) гласит, что энергия всегда сохраняется, она не может быть создана или уничтожена. . Энергия может быть преобразована из одной формы (например, световой энергии) в другую (химическую энергию), но она не может быть создана или уничтожена. Общее количество энергии и материи во Вселенной остается постоянным, меняется лишь одна ее форма в другую
Второй закон термодинамики гласит, что "во всех энергетических обменах, если нет притока или выхода энергии из системы, потенциальная энергия всегда будет меньше, чем в исходном состоянии."
Преобразование энергии в системе приводит к ее потерям в виде тепла. Не существует преобразования энергии, которое идет со 100% эффективностью. Это обычно называют энтропией.
Энтропия - степень беспорядка в системе. Клетки упорядоченны и поэтому имеют низкую энтропию.Поток энергии, поддерживает порядок и жизнь. Когда происходит передача энергии из одной формы в другую, которая теряется в виде тепла, энергия уменьшается, беспорядок в системе увеличивается. Энтропия выигрывает, когда организмы прекращают энергетический обмен и умерают.
Фотосинтез
Преобразования энергии в экосистеме начинаются с притоком энергии от солнца, которая фиксируется в процессе фотосинтеза.
Фотосинтез это процесс, посредством которого растения и фотосинтезирующие микроорганизмы используют энергию солнечного света для производства глюкозы (простые сахара) и свободного кислорода. 6H2O + 6CO2 ----------> C6H12O6 + 6O2 Организмы, которые используют неорганические источники углерода и энергии, называются автотрофы("само-питающиеся"). При фотосинтезе автотрофы используют углекислый газ и свет как источник энергии для синтеза органических соединений, таких как сахар (глюкоза), аминокислоты и жиры.Преобразование непригодной энергии солнечного света в полезную химическую энергию, связано с действием зеленого пигмента хлорофилла.
Клеточное дыханиеэто процесс, посредством которого организмы (например, млекопитающие) расщепляют глюкозу обратно на ее составляющие, воду и углекислый газ, таким образом, расходуя накопленную энергию солнца, первоначально полученную растениями. Энергия хранится в связях с высокой энергией аденозинтрифосфата, или АТФ, "топлива" используемого всеми живыми существами.
Доля фотосинтетической деятельности растений к дыханию других организмов определяет конкретный состав атмосферы, особенно ее уровень кислорода.
Затем химическая энергия в органических молекулах, в конечном счете превращается в тепловую энергию. Эта энергия рассеивается, то есть она теряется в системе, как тепло, и не может быть переработана. В экосистемах, наибольшие потери происходят в процессе дыхания. Без продолжающегося притока солнечной энергии, биологические системы быстро закрылись бы. Таким образом, получение энергии извне — общее условие жизнедеятельности всех организмов; в отношении энергии все биологические системы — открытые системы.
Напротив, все питательные вещества - такие как углерод, азот, кислород, фосфор и сера - используется в экосистемах живыми организмами, действуют в замкнутой системе, поэтому эти вещества подвергаются вторичной переработке, а не теряются и постоянно пополняется, как в открытой системе .
Цепи питания и трофические уровни в экосистеме
Все живые организмы биосферы связаны друг с другом общим фактором, то есть пищей, которая содержит не только энергию, но и материалы, которые необходимы организмам.
Пищевые цепи и пищевые сети– это методы описания того, как энергия передается от одного вида к другому в экосистеме. Пищевые цепи и пищевые сети описывают последовательньность передачи энергии от растений к животным, которые их едят, и так далее. Пищевые сети можно рассматривать как взаимосвязанные и пересекающиеся пищевые цепи.
Пищевая цепь представляет собой ряд этапов, с помощью которых энергия получается, используеся и преобразуется живыми организмами. Например, солнечный свет помогает растениям расти, растения поедаются скотом, и львы едят крупный рогатый скот. В пищевой сети будет меньше организмов на каждом уровне, так звенья сети следует по цепочке, образуя пирамиду.
Пищевая цепь всегда начинается с продуцентов, главным образом, зеленых растений. Следующие в цепочке всегда следуют травоядные, которых называет основными консументами.
Продуценты(от лат. ptoducentis — производящий) — это автотрофные организмы (в основном зеленые растения), которые способны синтезировать органическое вещество из неорганических составляющих в процессе фотосинтеза путем преобразования солнечной энергии в химическую энергию. Их называют также автотрофами, поскольку они сами снабжают себя органическим веществом.
Все продуценты по характеру источника энергии для синтеза органических веществ подразделяются на фотоавтотрофови хемоавтотрофов. Первые используют для синтеза энергию солнечного излучения в части спектра с длиной волны 380—710 нм. Это главным образом зеленые (хлорофиллоносные) растения, но к фотосинтезу способны и представители некоторых других царств органического мира. Среди них особое значение имеют цианобактерии (синезеленые «водоросли»), которые, по-видимому, были первыми фотосинтетиками в эволюции жизни на Земле. Способны к фотосинтезу также многие бактерии, которые, правда, используют особый пигмент — бактерио-хлорин — и не выделяют при фотосинтезе кислород.
Консументы- гетеротрофные организмы, потребляющие готовые органические вещества, создаваемые продуцентами, но в ходе потребления не доводящие разложение органических веществ до простых минеральных составляющих.
К консументам относятся все растительноядные, паразитические и хищные животные, часть микроорганизмов, паразитические и насекомоядные растения. В экосистемах консументы играют роль управляющего звена. Различают консументы первого (растительноядные животные), второго и других порядков (хищники и паразиты).
Редуценты- к этой экологической категории относятся организмы-гетеротрофы, которые, используя в качестве пищи мертвое органическое вещество (трупы, фекалии, растительный опад и пр.), в процессе метаболизма разлагают его до неорганических составляющих. В категорию редуцентов входят многие виды бактерий и грибов. По характеру метаболизма это организмы-восстановители. Полный цикл редукции органического вещества более сложен и вовлекает большее число участников. Он состоит из ряда последовательных звеньев, в череде которых разные организмы-разрушители поэтапно превращают органические вещества сначала в более простые формы и только после этого в неорганические составляющие действием бактерий и грибов.
Компоненты пищевых цепей и пищевых сетей– продуценты, консументы и редуценты существуют на разных этапах передачи энергии в экосистеме. Положение каждой группы организмов, получающих пищу одним способом известно как трофический уровень.
Положение организма в пищевой цепи (трофический уровень) характеризуется его удаленностью от основного источника поступающей в сообщество энергии. Автотрофы занимают первый трофический уровень, а гетеротрофы - все последующие трофические уровни: растительноядные организмы - второй, плотоядные - третий, хищники, питающиеся плотоядными животными, - четвертый и т. д.
Трофическая пирамида- графическая модель, описывающая распределение энергии, биомассы или других измеряемых величин между различными трофическими уровнями в экосистеме.