Функционирование экосистем

4. Функционирование экосистем 

4.1. Энергия в экосистемах. Жизнь  как термодинамический процесс

Экосистема - это совокупность живых организмов, обменивающихся непрерывно энергией, веществом и информацией друг с другом и с окружающей средой. Рассмотрим сначала процесс обмена энергией.

                  Энергию определяют как способность производить работу.

Процессы, связанные с превращениями энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную, то есть деградирует. Мера количества энергии, которая становится недоступной для использования, или иначе мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии, есть энтропия. Чем выше упорядоченность системы, тем меньше ее энтропия.

                   Самопроизвольные процессы ведут систему к состоянию равновесия с окружающей средой, к росту энтропии, производству положительной энтропии. Если неживую неуравновешенную с окружающей средой систему изолировать, то всякое движение в ней скоро прекратится, система в целом угаснет и превратится в инертную группу материи, находящуюся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, то есть в состоянии с максимальной энтропией. Это наиболее вероятное для системы состояние и самопроизвольно без внешних воздействий она выйти из него не сможет. Таким образом, в неживых системах устойчиво их равновесное состояние.

                  У живых систем есть одно принципиальное отличие от неживых - они совершают постоянную работу против уравновешивания с окружающей средой.

Жизнь - это  единственный на Земле естественный самопроизвольный процесс, в котором  энтропия системы уменьшается.

Все живые  системы являются открытыми для  обмена энергией. В окружающей их среде  есть огромное количество даровой энергии  Солнца, а в составе самой живой  системы есть компоненты, обладающие механизмами, позволяющими эту энергию  улавливать (извлекать), концентрировать, а затем снова рассеивать в окружающую среду.Самостоятельное улавление и концентрирование энергии - это способность только живой системы.

Таким образом, любая живая система, в том  числе и экосистема, поддерживает свою жизнедеятельность благодаря, во-первых, наличию в окружающей среде в избытке даровой энергии; во-вторых, способности за счет устройства составляющих ее компонентов эту  энергию улавливать и концентрировать, а использовав - рассеивать в окружающую среду.

Даровая энергия окружающей среды - это энергия  Солнца.

Доходящая до Земли энергия Солнца распределяется следующим образом: 33 % ее отражается облаками и пылью атмосферы (это  так называемое альбедо или коэффициент  отражения Земли); 67 % поглощается  атмосферой, поверхностью Земли и  океаном. Из этого количества поглощенной  энергии лишь около одного процента расходуется на фотосинтез, а вся  остальная энергия, нагрев атмосферу, сушу и океан, переизлучается в космическое пространство в форме невидимого теплового (инфракрасного) излучения. Этого одного процента энергии достаточно для обеспечения ей всего живого вещества планеты и поддержания им состояния с низкой энтропией.

Улавливают  энергию Солнца и превращают ее в  потенциальную энергию органического  вещества растения - продуценты. Весь остальной  живой мир получает необходимую  для жизнедеятельности энергию, в основном поедая их.

                         Перенос энергии пищи от ее источника - продуцента через ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими, называется пищевой или трофической цепью.

Животное  употребило в пищу растение или консумента более низкого порядка. Содержащееся в пище органическое вещество расщепляется в присутствии кислорода с выделением энергии. Этот процесс, обратный фотосинтезу, называется дыханием:

Он имеет  место в каждой клетке живого организма, поэтому его еще называют клеточным  дыханием.

Около 90 % выделившейся энергии расходуется организмом на поддержание своей жизнедеятельности, то есть на обеспечение всех необходимых  ему функций, после чего она в  виде выделяемого организмом тепла  рассеивается в окружающую среду  и по сути дела безвозвратно теряется для всей живой системы. И только около 10 % энергии идет на построение тела, рост и размножение организма. Именно эти 10 % энергии и доступны следующему трофическому уровню. Таким образом, энергии с переходом от одного уровня к другому остается все меньше.

Но здесь  нужно иметь в виду, что чем  выше трофический уровень, тем в  более концентрированной форме  содержится в живых организмах энергия. Это объясняется присущей только живому веществу спецификой - обладанием механизмами концентрирования энергии.

                                Жизнь как термодинамический процесс представляет собой непрерывный обмен живых систем с окружающей средой, при котором происходит освобождение от производимой положительной энтропии и извлечение отрицательной, то есть порядка и организации.

Необходимо  понимать, что энтропия уменьшается  в конкретной локальной зоне, при  этом в окружающей среде она возрастает.

Для описания поведения энергии в экосистемах  употребляют термин поток энергии, поскольку в отличии от циклического движения веществ превращения энергии идут в одном направлении. Энергия, однажды использованная каким-либо организмом, превращается в тепло и утрачивается для экосистемы. Для своей жизнедеятельности каждый живой компонент, будь то организм или экосистема, должен получать от окружающей среды на входе постоянный приток дополнительной энергии. Живые замкнутые термодинамические системы невозможны.

4.2. Энергия и продуктивность экосистем

Итак, жизнь  в экосистеме поддерживается благодаря  непрекращающемуся прохождению  через живое вещество энергии, передаваемой от одного трофического уровня к другому; при этом происходит постоянное превращение  энергии из одних форм в другие. Кроме того, при превращениях энергии  часть ее теряется в виде тепла.

Весь запас  энергии сосредоточен в массе  органического вещества - биомассе, поэтому интенсивность образования  и разрушения органического вещества на каждом из уровней определяется прохождением энергии через экосистему ( биомассу всегда можно выразить в  единицах энергии) .

Скорость  образования органического вещества называют продуктивностью. Различают  первичную и вторичную продуктивность.

Энергия поступает  в живую составляющую экосистемы через продуценты. Скорость накопления энергии продуцентами в форме органического вещества, которое может быть использовано в пищу, называется первичной продукцией. Этим показателем определяется общий поток энергии через живую составляющую экосистемы, а значит, и количество (биомасса) живых организмов, которые могут существовать за ее счет в экосистеме.

В первичной  продуктивности различают валовую  и чистую продуктивность. Валовая  первичная продуктивность - это скорость, с которой растения накапливают  химическую энергию при фотосинтезе. Часть ее - около 20 % - они тратят на дыхание - поддержание собственной  жизнедеятельности, которая затем  в виде теплоты выделяется в окружающую среду и теряется для экосистемы. Скорость накопления органического  вещества продуцентами за вычетом расхода  на дыхание называется чистой первичной  продуктивностью. Это энергия, которую  могут использовать организмы следующих  трофических уровней.

Поступившая на уровень консументов любого уровня энергия распределяется следующим образом (рис. 8).

Скорость накопления органического  вещества на уровнях консументов называется вторичной продуктивностью. Это энергия, которую могут использовать консументы следующего трофического уровня.

Из рассмотренного механизма передачи энергии по цепи живого вещества в экосистеме видно, что в каждом звене пищевой  цепи часть энергии - около 90 % - теряется. Поэтому длина пищевой цепи ограничивается размерами этих потерь и, как правило, составляет 3 - 4 уровня.

При этом с  повышением трофического уровня его  биомасса снижается, так как, во-первых, если фитофаги будут потреблять больше биомассы, чем ее производят продуценты, что, например, имеет место при  избыточном выпасе, то популяция продуцентов в конце концов исчезнет; во-вторых, существенная доля потребляемой консументами биомассы не усваивается и возвращается в экосистему в виде экскрементов, а из той, что усваивается, лишь несколько процентов идет на создание биомассы. Таким образом, в естественных экосистемах на высших трофических уровнях не может быть большой биомассы.

В результате последовательности превращений энергии  в пищевых цепях каждое сообщество живых организмов в экосистеме приобретает  определенную трофическую структуру. Трофическая структура сообщества отражает соотношение между продуцентами, консументами (отдельно первого, второго и т.д. порядков) и редуцентами, выраженное или количеством особей живых организмов, или их биомассой, или заключенной в них энергией, рассчитанных на единицу площади в единицу времени. Графически трофическую структуру сообщества представляют в виде пирамиды. Основанием пирамиды служит первый трофический уровень - уровень продуцентов, а последующие уровни образуют следующие этажи пирамиды. При этом высота всех блоков-этажей - одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне (рис. 10).

В зависимости  от того, количественное соотношение каких величин отражает пирамида, она называется пирамидой чисел, биомасс или энергий.  

Пирамиды чисел и  биомасс отражают статику системы, то есть характеризуют количество или биомассу организмов в определенный промежуток времени. Они не дают полной информации о трофической структуре экосистемы, хотя также позволяют решать ряд практических задач, особенно связанных с сохранением устойчивости экосистем. Реальные пищевые цепи в естественных условиях могут быть очень ветвистыми. Множество трофических цепей, переплетаясь в экосистеме, образуют сложные пищевые цепи.

Для естественных трофических цепей можно построить  пирамиды чисел и биомасс, для  построения пирамиды энергий часто  не хватает исходных данных.

Из количественных оценок, связанных с энергией, для  трофических цепей известно правило десяти процентов: с одного трофического уровня экологической пирамиды энергий на другой в среднем переходит около 10 % энергии, поступающей на предыдущий уровень. Пирамида энергий является наилучшим графическим изображением трофической структуры экосистемы, поскольку она отражает динамику системы, то есть скорость прохождения энергии через пищевую цепь.

В любой  экосистеме происходит образование  биомассы и ее разрушение, причем эти  процессы всецело определяются жизнью низшего трофического уровня - продуцентами. Все остальные организмы только потребляют уже созданное растениями органическое вещество и, следовательно, общая продуктивность экосистемы от них не зависит.

В водных экосистемах  толща воды сильнее препятствует проникновению солнечных лучей, чем атмосферный воздух. Естественно, водные организмы приспособились к  тому, чтобы использовать то количество света, которое реально поступает  на ту или иную глубину для накопления органического вещества. Однако по мере увеличения глубины процессы фотосинтеза ослабляются и постепенно уравниваются с процессами дыхания. Та зона, в пределах которой растения еще способны увеличивать биомассу, называется эвфотической.

Высокие скорости продуцирования биомассы наблюдаются  в естественных и искусственных  экосистемах там, где благоприятны абиотические факторы, и особенно при  поступлении дополнительной энергии  извне, что уменьшает собственные  затраты системы на поддержание  жизнедеятельности.

Для обеспечения энергией всех особей сообщества живых организмов экосистемы необходимо определенное количественное соотношение между продуцентами, консументами разных порядков, детритофагами и редуцентами. Однако для жизнедеятельности любых организмов, а значит и системы в целом, только энергии недостаточно, они обязательно должны получать различные минеральные компоненты, микроэлементы, органические вещества, необходимые для построения молекул живого вещества. 

4.3. Строительная роль пищи

В процессе фотосинтеза из CO2 и H2O образуется основа органического вещества - глюкоза. Это  не только резервуар потенциальной  энергии, но и основной строительный материал живого вещества. Ее углеводородный комплекс входит во все молекулярные постройки живого вещества: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Сложность органических молекул  велика, а возможное разнообразие бесконечно. Этим и определяется разнообразие живых организмов.

Для построения, роста и обновления тканей продуцентов  им должны быть доступны неорганические вещества CO2, H2O, аммоний (NH4+) и/или нитрат ион (NO3-), и др. Для построения организма  консументов, которые начинают его в отличие от продуцентов уже с готовых органических соединений, пища должна содержать помимо углеводов, липидов, белков, нуклеиновых кислот необходимое количество витаминов и различные микроэлементы. Если в пище нет какого-либо из этих ингредиентов, то сколько бы энергии (калорий) она не содержала, неизбежно появятся нарушения, вызванные неполноценным питанием.

Для человека достаточные количества этих питательных  веществ (биогенов) содержится в сбалансированном рационе, включающем крупы, мясо, овощи и молоко. Однако во многих прошедших длительную обработку пищевых продуктах биогенов почти или совершенно не остается. Аналогичная проблема имеет место в случае "перебивания аппетита" жареными картофельными хлопьями, лимонадом, спиртными напитками, сладостями, выпечкой. Многие из этих продуктов высококалорийны, поскольку богаты жирами или сахаром, но в них практически нет веществ, необходимых организму для роста и восстановления тканей. Соответственно, если в рационе много таких продуктов, то энергетические потребности организма будут удовлетворены, но питание останется явно неполноценным. Результатом бывает ощущение "упадка сил", даже если получено вполне достаточно калорий.

При несбалансированном рационе не исключено избыточное поступление калорий. Потребность  в них определяется тем, насколько  активный образ жизни ведет человек. Если в пище больше калорий, чем нужно  организму, их излишек накапливается  в жировых отложениях, что в конечном счете обернется избыточным весом. Таким образом, неумеренное потребление некоторых продуктов чревато одновременно ожирением и неполноценным питанием. С другой стороны, если калорийность пищи ниже потребностей организма, он голодает и начинает получать энергию за счет расщепления собственных тканей, причем не только жира, но и белков.

Сбалансированный  рацион обеспечивает потребление калорий  и биогенов именно в том количестве, в каком они нужны. Важно питаться так постоянно, поскольку организм не в состоянии запасать большинство необходимых веществ впрок. Не следует есть редко и помногу, так как в этом случае значительная часть пищи попросту не используется и теряется вместе с экскрементами, а ее биогены разрушаются ради получения энергии. При сбалансированном питании от 80 до 90 % того, что переваривается и всасывается в кровь, расходуется в энергетических целях. Однако, несмотря на то, что доля биогенов (аминокислот, витаминов, минеральных веществ) значительно меньше 10-20 %, она жизненно необходима организму.