Категорії організмів у екосистемах. Екологічні піраміди. Кругообіг речовин в екосистемах

Категорії організмів у екосистемах

У екосистемах існують три екологічні групи організмів, три важливих функціональних царства, але вони не ідентичні систематичним царствам.

1. Продуценти — автотрофні організми, які здатні синтезувати органічні речовини за рахунок неорганічного середовища.
2. Консументи — гетеротрофні організми, які споживають органічні речовини продуцентів або інших консументів. На долю цих організмів припадає 10% від усіх гетеротрофних організмів планети. Розрізняють консументи першого порядку (фітофаги) та другого порядку (м'ясоїди).
3. Редуценти (деструктори, сапроби) — організми, які розкладають органічні речовини до неорганічних, тобто живуть за рахунок мертвих організмів. Вони забезпечують розклад органічних речовин на планеті й перетворюють їх на неорганічні сполуки, беручи участь у кругообігу речовин. Це бактерії, гриби, водорості. На їх долю припадає 90% від усіх гетеротрофів планети.

Наведена класифікація відносно умовна, оскільки продуценти й консументи інколи частково можуть виступати в ролі редуцентів.

Ці групи організмів складають трофічні рівні. Таким чином,

1. продуценти,
2. консументи першого порядку (фітофаги);
3. консументи другого порядку (м'ясоїди) тощо.

Підраховано: якщо на кожний наступний рівень переходить 10-20% енергії попереднього рівня (правило Р.Л. Ліндемана), то з 1000 калорій, які отримають продуценти, енергії вистачить на 5-6 рівнів. Тому ланцюг живлення включає здебільшого всього 4-5 ланок. У екосистемах не може бути кругообігу енергії аналогічно кругообігу речовин, оскільки втрачена в ланцюгах живлення енергія може бути поповнена тільки надходженням нових її порцій у вигляді сонячного випромінювання або запасів органічної речовини.

Розглянемо трофічний ланцюг у вигляді схеми. Для цього кожний трофічний рівень зобразимо у вигляді прямокутника, площа якого буде дорівнювати енергії, яку він має (рис. 29). Пригадаємо, що площа прямокутника кожного наступного трофічного рівня буде менша за площу попереднього (другий закон термодинаміки).

Рис. 29. Схема потоку енергії та кругообігу речовин в екосистемі

Зі схеми видно, що потік енергії в екосистемі не замкнутий, а потік поживних речовин — замкнутий.

Виходячи зі схеми, можна виразити формулою енергетику продуцента:

Енергетика консумента І порядку буде мати такий вигляд:

Енергетика редуцента:

Згідно з другим законом термодинаміки:

У ланцюгах живлення окремо виділяють ланцюги м'ясоїдні, пасовищні (продуценти — консументи) та ланцюги детритні (органічна мертва речовина — бактерії — детритофаги — хижаки детритофагів).

У екології виділяють такі поняття:

Ефективність споживання — це відсоток продукції одного трофічного рівня, який «з'їдається» іншим трофічним рівнем. Виходячи з нашої схеми, ефективність споживання фітофага буде дорівнювати:

Для фітофагів лісу ефективність споживання 5%, для фітофагів степу — 25%, для фітопланктону — 50%, хребетних хижаків — 50-100%, безхребетних хижаків — 25% (Одум, 1989).

Ефективність засвоєння (асиміляції) — відсоток їжі, яка після надходження в травну систему консумента всмоктується й витрачається на ріст, розмноження, роботу:

Ефективність засвоєння у фітофагів та детритофагів 20-50%; у консументів І порядку — 10 — 15%; у консументів 2 порядку — 30-80%, залежно від подібності тканин (Одум, 1989).

Ефективність накопичення біомаси — це енергія, яка використовується на приріст біомаси. У пойкілотермних організмів вона складає 10%, у гомойотермних — 1-2% (решта іде на дихання, на підтримання температури тіла та виділяється з організму у вигляді екскрементів).

Розглянемо ці поняття на прикладі задачі.

Енергетика консумента І порядку складається: з енергії споживання (ЕС) — 25 Дж, енергії засвоєння (ЕЗ) — 12,5 Дж, екскрементів (Е) — 12,5 Дж, продукції біомаси (ПБ) — 0,25 Дж, енергії, що йде на дихання (Д), — 12,25 Дж. Записуємо формулу, підставимо дані:

Екологічні піраміди

Трофічну структуру екосистем можна зобразити графічно, використовуючи для цього дані про енергію, біомасу або чисельність організму, у вигляді екологічних пірамід.

Поняття про екологічні піраміди було введено в науку Ч.Елтоном (Англія, 1927).

Розрізняють піраміду енергії, чисел та біомаси.

Піраміда енергії

Якщо кожний трофічний рівень зобразити у вигляді прямокутника, довжина якого буде пропорційна кількості енергії, що накопичується на цьому рівні, то під час переходу від трофічного рівня «n» до трофічного рівня «n+1» енергія, згідно з другим законом термодинаміки, буде зменшуватись (рис. 30).

Рис. 30. Піраміда енергії (за В.П.Кучерявим, 2000)

Піраміда чисел

Піраміда чисельності відбиває щільність особин на кожному трофічному рівні. Якщо трофічні рівні ланцюга зобразити у вигляді прямокутників, довжина яких пропорційна чисельності особин на кожному рівні, то в напрямку від першого рівня (чисельність продуцентів) до рівня консументів (першого й наступних порядків) чисельність особин у популяціях зменшується, а розміри особин збільшуються. Піраміда має вигляд трикутника з вершиною вгору. Інколи піраміда має зворотний характер і направлена вершиною вниз. Наприклад, на одному дереві може жити велика кількість комах.

Піраміда біомаси

Піраміда біомаси відбиває біомасу на кожному трофічному рівні на 1 м кв. Кожний трофічний рівень зображується прямокутником, довжина якого пропорційна біомасі цього рівня. Біомаса трофічного рівня буде зменшуватись від рівня «n» до рівня «n+1».

Кількість продуцентів за масою звичайно вища, ніж консументів (звідси — форма піраміди). У деяких екосистемах (наприклад пасовища) піраміда біомаси має зворотний характер (біомаса травоїдних більша, ніж біомаса рослин), або водні екосистеми, де біомаса фітопланктону поступається біомасі зоопланктону.

Кругообіг речовин в екосистемах

Важливу роль у переносі матерії в екосистемах відіграють постійні цикли елементів, які суттєво відрізняються від перетвореної енергії, котра деградує у вигляді тепла й ніколи не буде використана знову. Неорганічні елементи надходять з довкілля, проходять крізь організми й знову повертаються у зовнішнє середовище, а потім знову включаються до складу живої речовини. Таким чином, кожний елемент використовується багато разів, що й складає біогенний кругообіг речовин. Звичайно, що під час переходу від одного трофічного рівня до іншого елементи частково виключаються з кругообігу у вигляді руди, вугілля, нафти, газу, торфу. Можна говорити про цикли таких елементів, як O₂, Н, Р, S, С.