Потоки вещества и энергии в экосистеме

В экосистемах происходит непрерывный обмен энергией и веществом между живой и неживой природой.
Энергия и вещество постоянно необходимы живым организмам, и они черпают их из окружающей неживой природы.

Вещества и энергия в сообществах передаются по пищевым цепям. Количества вещества и энергии, проходящие через живые организмы, чрезвычайно велики.

Пищевые цепи бывают двух типов: пастбищная (цепь выедания) и детритная.
Детритные пищевые цепи характерны для лесных экосистем, в которых роль пастбищных пищевых цепей незначительна. Кроме того, детритные пищевые цепи используются в хозяйстве человека (линии по выращиванию грибов, фермы по выращиванию дождевых червей и т. д.

ТРОФИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА — организация
биоценоза,
основанная на
пищевых взаимо-
отношениях
популяций
разных
видов.
Пищевая (трофическая) сеть

Энергия не может передаваться по замкнутому кругу!
Энергия доступна для живых организмов в форме солнечной радиации, которая может быть связана в процессе фотосинтеза. Расходуясь затем в виде химической энергии, она теряется, превращаясь в тепло.
ххх

Необходимые для жизни элементы и растворённые соли условно называют питательными веществами или биогенными (дающими жизнь) элементами.
К биогенным элементам относятся элементы, которые составляют химическую основу тканей живых организмов (макроэлементы): углерод, водород, кислород, азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера. А также элементы и их соединения, необходимые для существования живых систем, но в исключительно малых количествах (микроэлементы): железо, марганец, медь, цинк, бор, натрий, молибден, хлор, ванадий и кобальт.

Биогенные вещества могут передаваться по замкнутым циклам, многократно циркулируя между организмами и окружающей средой. Это явление получило название круговорота веществ.
Если бы живые организмы безвозвратно заимствовали все необходимые им питательные вещества из неживой природы, ничего при этом не возвращая обратно, запасы питательных веществ на Земле иссякли бы и жизнь прекратилась. Этого не происходит, потому что питательные вещества постоянно возвращаются в окружающую среду в результате жизнедеятельности самих организмов.

Разные виды организмов в сообществе оказываются тесно связанными друг с другом, т.е. взаимозависимыми друг от друга.
Передаваясь по цепям питания, и вещество, и энергия претерпевают ряд превращений.

Часть вещества может использоваться как материал для строительства тел организмов, питающихся растениями (которые, в свою очередь, поставляют такой же «строительный материал» хищникам).
Вследствие отмирания организмов, всё биологическое вещество в конечном счёте достается микроорганизмам-редуцентам, участвующим в превращении сложных органических соединений в простые, которые вновь используются растениями.
Таким образом, возникает устойчивый круговорот веществ, решающую роль в котором играют живые организмы.

Запасы биогенных элементов непостоянны. Процесс связывания некоторой их части в виде живой биомассы снижает количество, остающееся в среде экосистемы.
И если бы растения и другие организмы в конечном счёте не разлагались бы, запас биогенных элементов исчерпался бы и жизнь на Земле прекратилась.
Отсюда можно сделать вывод, что активность гетеротрофов, и, в первую очередь, организмов, функционирующих в детритных цепях, — решающий фактор сохранения круговорота биогенных элементов и, следовательно, жизни на нашей планете.

Поглощенная пища обычно усваивается не полностью. Неусвоенная часть вновь возвращается во внешнюю среду (в виде экскрементов) и в дальнейшем может быть вовлечена в другие цепи питания.
Процент усвояемости зависит от состава пищи и набора пищеварительных ферментов организма.
У животных усвояемость пищевых материалов варьирует от 12-20% (некоторые сапрофаги) до 75% и более (плотоядные виды).
Энергетический баланс консументов

Схема пищевой цепи (поток энергии и круговорот веществ) в экосистеме: Е — потоки энергии; m — круговорот вещества

Ассимилированная организмом пища вместе с запасом в ней энергии расходуется двояким образом.
Большая часть энергии используется на поддержание рабочих процессов в клетках, а продукты расщепления подлежат удалению из организма в составе экскрементов и углекислого газа, образующегося при дыхании.

Энергетические затраты на поддержание всех метаболических процессов условно называют тратой на дыхание, так как общие их масштабы можно оценить, учитывая выделение СО2 организмом.
Меньшая часть усвоенной пищи трансформируется в ткани самого организма, т.е. идет на рост или откладывание запасных питательных веществ, увеличение массы тела.

Передача энергии в химических реакциях в организме происходит, согласно второму закону термодинамики, с потерей части ее в виде тепла.
Особенно велики эти потери при работе мышечных клеток животных, КПД которых очень низок.
В конечном счете, вся энергия, использованная на метаболизм, переходит в тепловую и рассеивается в окружающем пространстве.
Траты на дыхание во много раз больше энергетических затрат на увеличение массы самого организма.
Конкретные соотношения зависят от стадии развития и физиологического состояния особей.

ИТОГ
Основная часть потребляемой с пищей энергии идёт у животных на поддержание их жизнедеятельности и лишь сравнительно небольшая — на построение тела, рост и размножение.
Иными словами, большая часть энергии при переходе из одного звена пищевой цепи в другое теряется, так как к следующему потребителю может поступить лишь та энергия, которая заключается в массе организма — предшественника в пищевой цепи.
Эти потери составляют около 10% при каждом акте передачи энергии через трофическую цепь.
Следовательно, запас энергии, накопленный зелеными растениями, в цепях питания стремительно иссякает.
Поэтому пищевая цепь включает обычно всего 4-5 звеньев.

Потерянная в цепях питания энергия может быть восполнена только поступлением новых ее порций.
Поэтому в экосистемах не может быть круговорота энергии, аналогичного круговороту веществ.
Экосистема функционирует только за счёт направленного потока энергии (постоянного поступления ее извне) в виде солнечного излучения или готовых запасов органического вещества.

Аккумуляция веществ организмами
Накопление загрязнителей в пищевых цепях.
Накопление токсикантов в водной пищевой цепи (по Stiegele Klee, из Stürmer)

На каждом следующим трофическом уровне концентрация аккумулирующих веществ возрастает. В итоге в тканях живых организмов их содержание в тысячу раз выше, чем в окружающей среде.