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.