Потік енергії та речовин в екосистемах

Жива речовина безперервно поглинає велику кількість енергії, котра трансформується, передається від одних організмів до інших, знову потрапляє в неживу природу. Через неї постійно проходить потік енергії. Життя на планеті існує завдяки Сонцю. Енергія, що проходить через живу оболонку планети, утворює потік, а не кругообіг! Із всієї сонячної енергії, що потрапляє на Землю, безпосередньо живими організмами використовується менше ніж 0,1 % від загальної кількості, на фотосинтез - 1 %. У використанні сонячної енергії головну роль відіграють зелені рослини, які здійснюють фотосинтез (фотоавтотрофи). Так, рослини із неорганічної речовини за допомогою енергії Сонця накопичують органічну речовину. Зелені рослини створюють основу для різноманітних форм життя планети. Енергія, зосереджена у тканинах зелених рослин багаторазово потім трансформується в біоценозах перш, ніж вийти знову в неживу природу, уже у відпрацьованій формі теплового випромінювання.

Використання енергії, сконцентрованої в тканинах зелених рослин і тварин (фітофагів і зоофагів), відбувається і після їх відмирання. На цьому етапі участь беруть бактерії і тварини – сапрофаги. Біля 90 % енергетичних запасів рослин і тварин використовується після їх відмирання. Енергетичні запаси детриту (напіврозкладені рештки рослин) є поживним середовищем для грибів, бактерій і безхребетних. Трупи тварин споживають тварини-некрофаги (мухи, жуки, кондори, шакали тощо). Екскременти тварин поїдають копрофаги (мухи, жуки-гнойовики тощо).

Енергія, котра розтікається по живих каналах біоценозів, безперервно витрачається і поступово та незворотньо перетворюється в теплову енергію, що надходить в навколишнє середовище у процесі біохімічних реакцій (дихання тощо). У цілому жива речовина трансформує енергію з великими затратами. Трансформації, що відбуваються в ланках ланцюга живлення, мають дуже низький коефіцієнт корисної дії. На кожному рівні використовується для нарощення біомаси біля 1 % енергії попереднього рівня, а решта 99 % витрачаються на процеси обміну речовин (дихання, виділення, рух тощо). Утворюється піраміда біомас – чим вищий трофічний рівень, тим менша його біомаса.

У структурі кожної екосистеми виділяють такі функціональні компоненти: абіотичне оточення, комплекс автотрофних організмів, комплекс гетеротрофних організмів, комплекс організмів, які розкладають органічні сполуки до мінерального стану. Абіотичне оточення - це комплекс неживої природи, звідки біоценоз отримує засоби для існування і куди виділяє продукти обміну. Автотрофні організми забезпечують органічними речовинами, а отже, й енергією всі інші організми. Вони є первинними продуцентами органічної речовини, які асимілюють сонячну енергію (фототрофні рослини, ціанобактерії). Гетеротрофні організми (консументи) живляться поживними речовинами, створеними первинними продуцентами. До консументів належать тварини та безхлорофільні рослини. Організми, які розкладають органічні сполуки до мінерального стану – це мікроорганізми бактерії, гриби, найпростіші організми, котрі живляться мертвими органічними речовинами.

Між усіма чотирма ланками існує закономірний зв’язок. Взаємодія організмів в екосистемі є надзвичайно складною. Взаємодія біоценозів з біотопами відбувається через речовинно-енергетичний обмін. Для кожної екосистеми характерний свій біологічний кругообіг речовин, який здійснюється завдяки існуванню в екосистемах трофічних ланцюгів (ланцюгів живлення).

Пасовищний ланцюг живлення – це низка живих організмів, у якій кожний вид живиться попередниками в ланцюзі та, своєю чергою, є їжею для видів вищого рівня. Наприклад, у водоймах фітопланктон поїдається зоопланктоном, зоопланктон – дрібною рибою, дрібна риба - великими рибами-хижаками, які, зрештою, споживаються людиною. Мова йде про певні угруповання рослин, тварин і мікроорганізмів, які взаємодіють один з одним і з навколишнім середовищем. Кожний живий організм або їх сукупність виконують певну біологічну функцію, яка або починає якийсь процес, або служить його проміжною ланкою, або завершує його. Така узгоджена та взаємозв’язана діяльність живих організмів на Землі перебуває в тісному зв’язку з навколишнім середовищем та його основними факторами і створює екологічну систему, цілісність якої утримується сталими потоками речовини та енергією між компонентами екосистеми.

Усі компоненти екосистеми перебувають у певному взаємозв`язку (рис.4).

Усі “ролі” розподіляються залежно від джерела їжі та її загальної кількості, що отримують організми. За джерелами їжі всі організми поділяються на автотрофи і гетеротрофи. Автотрофи – фотосинтезуючі організми, що використовують енергію Сонця для створення власних органічних речовин. Гетеротрофи живляться органічними речовинами, що виробляються автотрофами. Серед самих гетеротрофів їжа розподіляється нерівномірно. Найбільша кількість її припадає на тварин, котрі живляться рослинами. Травоядними тваринами живляться дрібні хижаки, які є здобиччю більших за розміром хижаків. Рештками мертвої органічної речовини тварин, котрі загинули живляться редуценти – бактерії, гриби, хробаки, комахи тощо. Усі живі компоненти екосистеми розташовуються у певній послідовності й утворюють харчовий ланцюг. В екосистемах добре розрізняються різні рівні живлення (тварини, котрі живляться рослинами, дрібні хижаки, більш великі хижаки, всеядні тварини). Такі харчові рівні прийнято називати трофічними рівнями (від грец. trophe – живлення).

Рис. 4. Основні компоненти екосистеми

(стрілками показано кругообіг речовин та потік енергії)

Перший трофічний рівень утворюють продуценти, другий – тварини, котрі живляться рослинами (первинні консументи), третій – хижаки (вторинні консументи) і так далі. Продуцентами в екосистемі називають зелені рослини, оскільки вони самі утворюють для себе їжу. Їх на Землі є близько 350 000 видів, а маса, за підрахунками В.І. Вернадського, становить близько 2,4∙10¹² тонн. На перший погляд видається, що зелені рослини незалежні від інших організмів. Однак вчені стверджують, що якби на Землі існували тільки зелені рослини, то, кінець-кінцем, усі мінеральні речовини виявилися б зв’язаними в цих рослинах (здебільшого – у їхніх мертвих рештках) і ріст рослин припинився б. Цього не відбувається тому, що інші організми – редуценти (або мікроконсументи) використовують поживні речовини, що містяться у мертвих рослинах як джерело енергії і як їжу, розкладають при цьому органічні сполуки на простіші неорганічні. Такими їх здатні поглинати й використовувати живі рослини. До редуцентів належать бактерії, гриби. Їх налічується 75 тис. видів, а сумарна маса становить 1,8∙10⁸ тонн. Енергія та елементи живлення, що містяться в організмах живих продуцентів, споживаються в більшості природних екосистем не тільки редуцентами, а й консументами, або фаготрофами. До консументів належать переважно тварини, які живляться іншими організмами або частинками органічної речовини. Поміж них є тварини, що живляться лише рослинною їжею, тварини, котрі споживають рослинну і тваринну їжу, тварини, що споживають м’ясо, а також паразити. Кількість видів цієї групи найбільша – понад 1,5 млн., а їхня маса становить близько 2,3∙10⁸ тонн. Харчові взаємозв`язки в екосистемах дуже складні і багатогранні. Прості харчові ланцюги розгалужуються, переплітаються і утворюють харчову сітку. У харчових ланцюгах людина найчастіше займає проміжне місце між первинними та вторинними консументами – її раціон складається з тваринної та рослинної їжі. Однією з причин різноманітності екосистем (біоценозів) у природі є своєрідність абіотичних умов кожного регіону.