Трофические цепи. Основные законы устойчивости и функционирования экологических систем

Между организмами в экосистемах существуют трофические связи, на основе которых формируются цепи питания. Первым звеном любого цепи питания есть растения, которые образуют органическое вещество в процессе фотосинтеза. Растениями питаются растительноядные животные, последними - мелкие хищники, которые, в свою очередь, становятся добычей более крупных хищников. Характерной особенностью этого цепи питания является то, что с ростом его уровня увеличивается размер животных и уменьшается их количество, например, трава-улитка-лягушка-лиса. Такие цепи питания называют цепями выедание.

 

В трофических цепях паразитов, наоборот, изменения происходят от больших по размеру и менее многочисленных организмов к меньшим по размерам и более многочисленных, например, животное-блохи-бактерии-вирусы.

 

Примеры цепей питания приведены в табл. 1.4., Из которой видно разницу между обычным цепью выедание и цепью паразитов.

 

В экосистемах может быть несколько параллельных цепей питания, между которыми существуют связи, ведь организмы питаются различными объектами и сами являются пищей для различных членов экосистем. В реальных условиях цепи питания могут пересекаться и образовывать сеть питания. Именно сложная система трофических цепей обеспечивает целостность и динамичность экосистем. Разные уровни питания в экологической системе называются трофическими. Трофический уровень - это совокупность организмов, объединенных типом питания. К первому трофического уровня относятся автотрофные организмы, на втором уровне - растительноядные животные (консументы И порядке), на третьем - животные, питающиеся растительноядными животными (консументы II порядка, первичные хищники), на четвертом уровне - вторичные хищники (консументы III порядка). Замыкают трофическая цепь редуценты, которые могут занимать все уровни, начиная со второго.

 

Следует отметить, что консументы это не просто потребители, которые входят в пищевой цепи. Они, удовлетворяя свои потребности в энергии, часто через систему положительной обратной связи могут действовать на высшие трофические уровни.

 

Трофические цепи основываются на втором законе термодинамики, согласно. которым определенная часть энергии всегда теряется и становится недоступной для использования (рост энтропии).

По подсчетам, 1 га леса умеренной зоны в среднем поглощает

 

1, 1 х 109 кДж энергии Солнца. Однако, если всю растительность, созданную на этой площади за год, сжечь, то образуется 1,1 х106 кДж, или ~ 0,5% солнечной энергии, поглощенной лесом. Это означает, что фактическая продуктивность фотосинтеза зеленых "растений данной территории не превышает 0,5%. При передаче энергии от звена к звену теряется 90-99% этой энергии.

 

Если, например, растения на 1 м2 площади образовали за сутки количество органического вещества, эквивалентной 84 кДж, то продукция первичных консументов составит до 8,4 кДж, а вторичным - не более 0,8 кДж. Подсчитано, что на образование 1 кг говядины требуется 70-90 кг зеленого корма.

 

Итак, при продуктивном использовании энергии, каждой последующей звеном трофической цепи доступна для нее энергия уменьшается ~ в 10 раз, то есть 90% ее выпадает из трофической цепи.

 

В соответствии с законом однонаправленных потока энергии, энергия, которую получает экосистема и которая усваивается продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой необратимо передается консументам первого, второго, третьего и других порядков, а потом редуцентам, что сопровождается потерей определенного количества энергии на каждом трофическом уровне как следствие процессов, которые сопровождаются дыханием. В обратной поток попадает малое количество энергии (<0,25%), поэтому говорить о круговороте энергии в экосистемах не приходится.

 

В соответствии с законом пирамиды энергии (Р.Линдеман) с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой переходит в среднем не более 10% энергии, а обратный поток энергии (с более высоких уровней на низшие уровни) намного слабее (не более 0,5 - 0,25%). При этом количество консументов трофического уровня ограничивается правилом экологической пирамиды.

 

По этому закону можно выполнять расчеты земельных площадей, лесных угодий с целью обеспечения людей продовольствием и другими ресурсами.

 

Производительность экологических систем и соотношение в них различных трофических уровней изображают, как правило, в виде пирамид. Первую такую пирамиду построил Ч.Ельтон (1927) на примере трофического цепи водной экосистемы (см. рис. 1.14.). Количество звеньев трофической цепи ограничивается правилом экологической пирамиды или пирамиды Элтона, согласно которому общая биомасса каждого следующего звена в цепи питания уменьшается. По Ч.Ельтоном, количество особей, образующих последовательную цепь, постоянно уменьшается.

 

Сегодня, различают три основных типа экологических пирамид:

 

1) пирамиды чисел, которые отражают численность отдельных организмов звеньев трофической цепи;

 

2) пирамиды биомассы, которые характеризуют общую сухую массу звеньев трофической цепи;

 

3) пирамиды энергии, которые показывают величину потока энергии или производительность каждого трофического уровня в цепи питания.

 

Это четко показано на примере экологической пирамиды Ю.Одума (см. рис. 1.14.). Исходной продукцией трофического цепи является посевы люцерны на площади 4 га. Этого достаточно для кормления 4-5 телят (предполагается, что они употребляют только люцерну). Телятину потребляет 12-летний мальчик (предполагается, что он употребляет только телятину). Люцерна использует 0,24% солнечной энергии, поступившей на ее посевы, телята - 8% энергии люцерны, мальчик – только 0, 7% энергии, накопленной телятами.

 

Следовательно, для существования мальчика в течение года достаточно около 1/1000000 части солнечной энергии, поступившей на 1 га посева люцерны.

 

 

Ю.Одум (1986) на основании анализа этих пирамид сформулировал следующее экологическое правило: данные пирамиды чисел приводят к преувеличению роли малых организмов, а данные пирамиды биомасс - крупных. В малых организмов более интенсивный метаболизм, поэтому только поток энергии является наиболее подходящим показателем для сравнения любого компонента с другим и всех компонентов между собой.

 

Анализ пирамиды энергий позволяет не только оценить эффективность использования энергии экосистемой, но и сравнивать различные экосистемы, и определять относительную роль трофической звена.

 

Знание законов продуктивности экологических систем имеет чрезвычайно большое практическое значение, в частности для сельского хозяйства. Это дает возможность рассчитывать необходимую площадь пахотных земель, определять стратегию развития сельского хозяйства. Например, наиболее дешевой является продукция растениеводства; содержание хищных животных является дорогостоящим, и тому подобное.

 

Следовательно, знание законов функционирования и особенностей экосистем имеет непосредственное значение для народного хозяйства.

 

Одной из задач общей экологии является определение границ устойчивости экосистем к внешним воздействиям, в том числе антропогенного. Под устойчивостью экосистем понимают способность ее к реакциям, которые пропорциональны по величине силе воздействия, но направлены противоположно. При превышении некоторой критической величины воздействия экосистема теряет устойчивость.

 

На устойчивость экологических систем к внешним воздействиям влияет ряд факторов, в частности эффективность использования энергии в экосистеме, биоразнообразия и т.д.. Основой устойчивости экосистем биоразнообразия. Существуют определенные закономерности относительно устойчивости системы к внешним воздействиям:

 

- Чем больше разнообразие биоценоза, тем больше экологическая устойчивость экосистемы;

 

- Чем более разнообразными условиями характеризуются границы экосистем, тем больше видов содержит соответствующий биоценоз, и тому подобное.

 

Так, в соответствии с принципом Ле Шателье-Брауна, при внешнем воздействии на экологическую систему, выводит ее из состояния равновесия, это равновесие смещается в направлении ослабления эффекта внешнего воздействия. Итак, экосистемы являются динамичными. Смягчение внешнего воздействия на экосистему может происходить за счет различных процессов, в частности, это изменение круговорота веществ, изменение видо-специализации организмов и их функциональной роли в системе и т.д..

 

Ю.А.Израель для оценки устойчивости экосистем и биосферы о природных явлений и антропогенных нарушений предложил понятие об экологическом резерв экосистемы, под которым понимают разницу между предельно допустимым отклонением и фактическим состоянием экосистемы, то есть это так называемый запас прочности (буферность).

 

В соответствии с законом максимальной энергии и информации (Ю.Одум, Г.Одум, М.Реймерс) в конкуренции с другими экосистемами сохраняется и, наиболее способствует поступлению энергии и информации и использует их количество эффективно.

 

Для нормального функционирования, экосистемы образуют накопители высококачественной энергии, которая расходуется на обеспечение поступления новой энергии, обеспечение круговорота вещества,

 

создание механизмов регулирования и поддержания устойчивости системы, ее способность приспосабливаться к изменениям. Именно такие экосистемы являются устойчивыми.

 

! Максишизация обеспечивает повышение шансов экологических систем на выживание.

 

Устойчивость экосистем определяется ее ассимилируя емкостью, под которой понимают показатель максимального количества загрязняющего вещества, которая может быть за единицу времени накоплено, разрушена, трансформирована и выведена за пределы экосистемы без нарушения нормального ее функционирования. Эта величина зависит от многих факторов, как природных, так и антропогенных. Например, за счет значительного выноса веществ за пределы экосистемы рек, их ассимилируя емкость высока, и тому подобное. Чем больше экосистемы, тем больше ассимилируя емкостью она характеризуется.

 

В то же время, не следует забывать, что экосистемы являются целостными системами и нарушение их целостности приводит к нарушению механизмов саморегуляции. Согласно закону экологической корреляции, в экосистеме все живые компоненты и абиотические экологические компоненты функционально соответствуют друг другу и выпадение одной части системы неизбежно вызовет выпадение других частей экосистемы и приведет к функциональным изменениям. Никакая часть экосистемы не может существовать без другой.

 

Но, не следует путать нарушения целостности экологической системы с природными закономерными сукцессии.

 

Итак, экосистемы являются устойчивыми динамическими системами с собственными механизмами саморегуляций. Именно на этом основывается естественная экологическое равновесие и поэтому экосистемы могут существовать длительное время.