Особливості кругообігу речовин і трансформації енергії в екосистемах

Особливе значення для БС мають циклічні або органогенні хімічні елементи (ХЕ), які беруть участь у складних процесах кругообігу (біогеохімічних циклах) і більшість з них входить до складу ЖР (H, C, O, S, N, P і інші - усього 44 ХЕ). Стосовно до БС під „біогеохімічним кругообігом” мається на увазі обмін ХЕ між живою речовиною й неорганічним середовищем.

Розрізняють такі основні типи біогеохімічних кругообігів [15]: 1) кругообіг води (О, Н та інші водорозчинні ХЕ); 2) кругообіг ХЕ переважно в газовій фазі (С, О, N); 3) кругообіг ХЕ переважно в осадочній фазі (Р, S та інші біогенні ХЕ). Перший тип включає рух складної природної речовини - води; в інших - рух здійснюють прості речовини, які знаходяться у різних хімічних видах під впливом біологічного і геологічного факторів. Як приклад, у багатьох джерелах інформації розглянуті кругообіги води, вуглецю і сірки.   

Для опису „поведінки” енергії у ЕС підходить поняття „потік енергії”, оскільки, на відміну від біогеохімічних кругообігів, перетворення енергії йдуть у одному напрямку.

    Основним джерелом енергії, завдяки якому існує ЖР в біосферних середовищах, є Сонце. Сонячна енергія проявляє себе в різних формах (кінетичній, потенціальній, радіоактивного розпаду, електромагнітних полів, морських хвиль, органічного палива та ін.) і в певних умовах переходить з одного виду до іншого. В приземному шарі сонячне електромагнітне випромінювання перетворюється в основному в теплову енергію (1-2 % сумарної радіації і 2 % фотосінтетично активної радіації – ФАР, з довжиною хвиль 380-710 нм за рахунок фотосинтезу – в хімічну енергію).

Згідно з першим законом термодинаміки енергія може перейти із однієї форми в іншу, але вона не може зникати і створюватися наново. Процеси, пов'язані з перетвореннями енергії, можуть спонтанно відбуватися лише за умови, що енергія переходить із концентрованої форми у розсіяну, тобто деградує. У цьому суть другого закону термодинаміки, який можна сформулювати і так: оскільки деяка частина енергії завжди розсіюється у вигляді недоступної для використання теплової енергії, то ефективність довільного перетворення кінематичної енергії в потенціальну завжди менше ніж 100 %. Під екологічною ентропією розуміється безповоротне розсіяння енергії ЕС. Наприклад, втрата тепла через градієнт температур між ЕС і оточуючим середовищем.

Біосистеми у деякому розумінні можна порівняти зі своєрідними механізмами, що продукують біомасу. Кількість сонячної енергії, що досягає земної поверхні, становить 52 % від загального випромінювання (решта витрачається на відбиття хмарами, пилом, поглинання водяною парою, озоном і т.д.); але із цієї кількості близько 10 % витрачається на відбиття (альбедо). Лише 10 % енергії, яку отримують рослини, трансформується в біомасу. Рослини фіксують лише 1 % сонячного випромінювання, що надходить, та виробляють при фотосинтезі свій матеріал, тобто коефіцієнт корисної дії (ККД) фотосинтезу дуже низький (0,1-1,6 %). Більш високий ККД у культурних рослин (до 3-5 % і вище).

    Зміни енергетики природної ЕС у межах 1 % виводить її із рівноважного стану (правило 1 %). Антропогенні зміни, що перевищують допустиму межу, здатні викликати негативні наслідки у природних ЕС. Отже, правило 1 % необхідно врахувати в природокористуванні для розробки обґрунтованих заходів, важливих в природних екстремальних умовах. 

Згідно із правилом 10 % з нижчого на більш високий трофічний рівень (P ® С₁ ® С₂ ®) переходить близько 10 % енергії. Зворотний потік енергії, наприклад, від С₁ до Р (мертві організми і екскременти тварин - редуценти, що виділяють з органічних речовин неорганічні сполуки) складає не більше ніж 0,25-0,5 % від загального потоку, тому говорити про кругообіг енергії в біоценозі не доводиться.

Співвідношення поміж продуцентами, консументами (C₁, C₂, C₃) та редуцентами в ЕС, яке відбите у їх масі й зображене у вигляді графічної моделі, називається пірамідою біомас. Якщо трофічні зв'язки зобразити з урахуванням співвідношень у кількості осіб або видів, то кажуть про піраміду чисел (піраміда Елтона), якщо з урахуванням кількості енергії, акумульованої одиницею поверхні за одиницю часу та використаної організмами на кожному трофічному рівні, то - про піраміду енергії. Такі моделі називаються екологічними пірамідами, тому що їх конфігурація відображає екологічні умови у межах певної території (акваторії).

У наземних ЕС вага продуцентів (на одиницю площі і абсолютно) більше ніж вага консументів, вага С₁ більша ніж вага С₂ і т.д., тому графічна модель звичайно має вигляд „нормальної” піраміди. У деяких водних ЕС, які відрізняються високою біопродуктивністю продуцентів, піраміда біомас може бути переверненою, тобто біомаса продуцентів в них менша, ніж консументів, а іноді і редуцентів.

Оскільки спільним знаменником і початковою рушійною силою усіх ЕС, як природних, так і антропогенних, є потік енергії, то за джерелом, рівнем та якістю енергії Ю. Одум [1] виділяє наступні типи ЕС: 1) несубсидовані природні ЕС, які отримують енергію від Сонця (відкритий океан, високогірні ліси); 2) ЕС, які одержують енергію від Сонця, але з природною енергетичною субсидією (естуарії у припливних морях, деякі тропічні дощові ліси); 3) субсидовані людиною ЕС, які отримують енергію від Сонця (агроекосистеми, підводні плантації); 4) промислово-міські ЕС, які отримують енергію палива (міста, пригороди, індустріалізовані зелені зони). 

Питання для самоконтролю

1. Яка різниця між поняттями “екосистема” і “біогеоценоз”?

2. Дайте визначення понять “біотоп”, “біоценоз”.

3. Які компоненти виділяються в структурі екосистеми?

4. Які характеристики має будь-яка екосистема?

5. Що таке продуценти, консументи і редуценти?

6. Що називається гомеостазом?Що таке гомеостатичне плато?

7. Що таке сукцесія? Які існують види сукцесії?

8. Опишіть екосистему коралового рифу і промислового міста.

9. За якими ознаками розрізнюються екосистеми?

10.  Наведіть біомну класифікацію екосистем.

11. Які виділяються екосистеми за джерелом енергії?

12. Що таке біогеохімічний кругообіг?

13. Які основні типи біогеохімічних кругообігів?

14. Що таке „екологічна ентропія”?

15. Сформулюйте правила 1 % і 10 %.

16. Які існують типи екологічних пірамід?

17.  Для яких екосистем характерна „перевернена” піраміда біомаси?