3510 ЭКОЛОГИЯ
Лабораторная работа № 1
ЭНЕРГИЯ И ПИЩЕВЫЕ ЦЕПИ
В ЭКОСИСТЕМАХ
Цель работы: ознакомление с энергетической первоосновой существования биологических объектов и особенностями пищевых цепей, с помощью которых осуществляется распределение энергетических потоков в экосистемах.
Теоретическая часть
1. Жизнь как термодинамический процесс
Непрерывный поток солнечной энергии воспринимается растениями и в результате фотосинтеза преобразуется в энергию химических связей создаваемого органического вещества. Создаваемое растениями-автотрофами органическое вещество поедается животными, которые могут быть съедены хищниками, которые, в свою очередь, могут быть съедены хищниками более высоких порядков. Таким образом, создаётся упорядоченный поток вещества и энергии.
Энергия определяется как способность производить работу или как общая количественная мера различных форм движения материи.
Свойства энергии описываются следующими законами:
1-е начало термодинамики (закон сохранения энергии) гласит, что энергия может переходить из одной формы в другую, но не создается заново и не исчезает;
2-е начало термодинамики имеет несколько равноценных формулировок:
- эффективность превращения одного вида энергии в другой всегда меньше 100 % (т. е. невозможность построения вечного двигателя 2-го рода);
- процессы, связанные с превращениями энергии, могут протекать самопроизвольно лишь при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную форму (тепло горячего тела самопроизвольно стремится рассеяться в холодной среде);
- в изолированной системе энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые, т. е. равновесные процессы), либо возрастает (если в системе протекают неравновесные процессы) и в состоянии равновесия достигает максимума.
Энтропия (превращение – «греч.») является одной из важнейших термодинамических характеристик, представляет собой функцию состояния термодинамической системы и определяется как отношение количества теплоты, введенного в систему или отведенного от нее, к термодинамической температуре: dS = dQ/T. Энтропия характеризует количество энергии в системе, недоступной для совершения работы, т. е. недоступной для использования. Система обладает низкой энтропией, если в ней происходит непрерывное рассеяние упорядоченной энергии и превращение её в менее упорядоченный вид, например превращение энергии света или пищи в тепловую энергию. Поэтому часто энтропию определяют как меру неупорядоченности системы.
Важнейшей особенностью организмов является их способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т. е. состояние с низкой энтропией. Любое нагретое тело, в том числе и живое, будет отдавать тепло до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой окружающей среды. В конечном счёте, энергия любого тела может быть рассеяна в тепловой форме, после чего наступает состояние термодинамического равновесия, и любые энергетические процессы становятся невозможными, т. е. система приходит в состояние с максимальной энтропией или минимальной упорядоченности.
Таким образом, энтропия организма стремится к росту в процессе непрерывного рассеяния энергии, превращающейся из форм с высокой степенью упорядоченности (например, химической энергии пищи) в тепловую форму с минимальной степенью упорядоченности. Следовательно, для предотвращения внутреннего энергетического истощения и последующей гибели, или для того чтобы энтропия организма не возрастала, организм должен непрерывно накапливать упорядоченную энергию извне, т. е. как бы извлекать извне «упорядоченность» своего внутреннего энергетического состояния, что равносильно извлечению отрицательной энтропии из окружающей среды.
Живые организмы извлекают отрицательную энтропию из пищи, используя упорядоченность ее химической энергии. Для того чтобы экологические системы и биосфера в целом имели возможность извлекать из окружающей среды отрицательную энтропию, необходима энергетическая дотация, которая в действительности и получается в виде солнечной даровой энергии. Растения в процессе автотрофного питания – фотосинтеза создают органическое вещество с повышенным уровнем упорядоченности его химических связей, что и обусловливает уменьшение энтропии. Травоядные животные поедают растения, которых, в свою очередь, поедают хищники и т. д.
Таким образом, жизнь можно рассматривать как процесс непрерывного извлечения некоторой физической системой энергии из окружающей среды, преобразования и рассеяния этой энергии при передаче её от одного звена к другому. Обеспечивая низкий уровень энтропии, организмы препятствуют стремлению системы к термодинамическому равновесию и тем самым поддерживают свою жизнь. В состояние термодинамического равновесия организм или экосистема может перейти лишь в случае их гибели, когда прерывается упорядоченный поток энергии.
Воздействие хозяйственной деятельности человека на окружающую среду в конечном итоге приводит к повышению неупорядоченности (т. е. к повышению энтропии) экосистем. И если такое повышение энтропии превысит некоторый уровень, который экосистема способна компенсировать, то, очевидно, станет неизбежной необратимая деградация данной экосистемы.
2. Трофические (пищевые) цепи
В отличие от растений животные не способны к реакциям фото- или хемосинтеза и поэтому вынуждены использовать солнечную энергию не прямо, а опосредованно, питаясь органическим веществом, созданным растениями. Животные – консументы 1-го уровня питаются растительной пищей и одновременно служат пищей животным-консументам 2-го уровня (хищникам 1-го уровня) и т. д. Таким образом, в экосистемах образуется цепь последовательной передачи вещества и эквивалентной ему энергии от одних организмов к другим, которая называется трофической или пищевой.
Трофические цепи представляют собой пути однонаправленных потоков солнечной высокоэффективной энергии через живые организмы экосистемы в окружающую среду в виде рассеянной низкоэффективной тепловой энергии. Прохождение пищи через биологические объекты (организмы) сопровождается большими (до 80 – 90 %) потерями её потенциальной энергии, рассеиваемой в виде тепла в окружающую среду. Данное обстоятельство является причиной ограниченности числа звеньев пищевых цепей в реальных экосистемах. Чем дальше от начала пищевой цепи место, занимаемое данным организмом, тем меньше для него доступной пищи и энергии. Обычно число звеньев пищевых цепей ограничивается на уровне 4 – 5.
Возможны два основных типа пищевых цепей:
- пастбищные цепи: растения – травоядные животные – хищники 1-го уровня – хищники 2-го уровня и т. д.;
- детритные цепи: мёртвое органическое вещество (детрит) – микроорганизмы-детритофаги (питающиеся детритом) – хищники детритофагов.
Все организмы, пользующиеся одним типом пищи, принадлежат к одному трофическому уровню: все продуценты относятся к первому уровню, консументы, питающиеся только продуцентами, – ко второму уровню, хищники растительноядных консументов – к третьему и т. д.
Трофические цепи бывают простыми и короткими, например «осина – заяц – лиса» (рис. 1), и более сложными и длинными. Различные трофические цепи могут быть связаны между собой общими звеньями, образуя сложные трофические сети. Пищевые цепи помогают проследить движение химических элементов и потоки энергии в экосистемах, хотя простые пищевые цепи в природе возникают очень редко. Обычно в природных экосистемах движение пищевой органики происходит в сложных пищевых сетях.
Рис. 1. Схема простой трофической цепи
В процессе жизнедеятельности всех уровней трофической цепи возникают «отходы». Зелёные растения частично или полностью сбрасывают листву, значительная часть организмов постоянно отмирает. В конечном счете, созданное органическое вещество частично или полностью заменяется. Эта замена происходит благодаря особому звену трофической цепи – звену организмов-редуцентов (рис. 1). Это звено составляют бактерии, грибы, простейшие, мелкие беспозвоночные организмы. Редуценты разлагают органические остатки всех трофических уровней продуцентов и консументов на минеральные компоненты. Минеральные вещества и выделяющийся при дыхании редуцентов диоксид углерода (CO2) вновь возвращаются к продуцентам (рис. 1).
Следует иметь в виду, что популяции многих видов организмов могут быть вовлечены в трофические сети не на одном, а на нескольких трофических уровнях (в природе часто именно так и бывает). Например, лисы обычно часть своей пищи получают от растений (плоды, семена и т. п.), а часть их пищи составляют травоядные животные (зайцы, полевые мыши и т. п.). Кроме того, пастбищные пищевые цепи, начинающиеся с живой растительной органики, и детритные пищевые цепи, начинающиеся с мёртвой органики, могут объединяться на следующих трофических уровнях. Например, карась может питаться как растительной живой органикой, так и бентосом, питающимся мёртвой органикой. Таким образом, в данном случае карась на своём трофическом уровне объединяет пастбищные и детритные начала пищевых цепей. Подобное объединение пастбищных и детритных пищевых цепей может осуществляться на различных трофических уровнях пищевых сетей. На рис. 2 в качестве примера показана часть пищевой сети экосистемы небольшого ручья.
Рис. 2. Часть схемы трофической сети небольшого ручья:
1 – фрагменты листьев; 2 – зелёные водоросли; 3 – детрит; 4 – диатомовые водоросли; 5 – веснянка (насекомое – Protonemura); 6 – подёнки (насекомые – Boetis, Ephemerella); 7 – ручейник (насекомое – Phitopotamus); 8 – подёнка (насекомое – Ecdyonirus); 9 – веснянка (насекомое – Perla); 10 – ручейник (насекомое – Dinocros); 11 – ручейник (насекомое – Rhyacophila)
Особую роль в экосистемах играют организмы-детритофаги, питающиеся мёртвой органикой растительного или животного происхождения. Эти организмы разлагают мёртвые органические остатки, которые в противном случае накапливались бы в среде, и высвобождают заключённые в этих остатках питательные вещества, так что они могут быть вновь использованы растениями. К детритоядным организмам относятся разнообразные виды, такие как крабы, грифы и другие падальщики, а также бактерии и грибы. С точки зрения использования энергии детритоядные организмы не слишком сильно отличаются от консументов других типов. Наземные растения продуцируют большие количества неперевариваемой опорной ткани, которая после их отмирания в основном потребляется организмами-разрушителями, обитающими в почве. Более 90 % чистой первичной продукции леса потребляется детритоядными организмами и менее 10 % – растительноядными. Водные растения лучше перевариваются растительноядными животными, и соответственно детритный путь энергии играет в водной среде менее важную роль.