5 Кругообіг речовин і трансформація енергії в екосистемах

Цілісність і стійкість екосистем забезпечується кругообігом хімічних елементів, використанням сонячної енергії, передачею енергії через ланцюги живлення.

Біогеохімічний кругообіг – обмін хімічними елементами між біотичною (живою) речовиною і абіотичним (неорганічним) середовищем . Розрізняють такі основні типи біогеохімічних кругообігів: 1) кругообіг води (О, Н та інші водорозчинні елементи); 2) кругообіг елементів переважно в газовій фазі (С, О, N ); 3) кругообіг елементів переважно в осадочній фазі (Р, S та інші біогенні елементи). 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. З 1944 року людина почала вводити до біогеохімічного круговороту радіоактивні елементи.

Кругообіг води : вода випаровується з водної поверхні під дією сонячної енергії, вологе повітря підіймається, конденсується водяна пара і завдяки охолодження повітря випадає на земну поверхню у вигляді опадів.

Кругообіг С, О відбувається внаслідок процесу фотосинтезу, природних (виверження вулканів, водорозчинний кисень) та антропогенних (викиди підприємств, транспорту тощо) джерел.

Кругообіг Р, S відносно простий і неповний, має осадочну природу і відбувається у грунтах та водах.

Постійна взаємодія абіотичних і біотичних компонентів ЕС супроводжується безперервним кругообігом речовин між біотопом і біоценозом у вигляді чергування то органічних, то мінеральних сполук. Існування у кожному угрупованні продуцентів, консументів та деструкторів, метаболізм (обмін речовин) яких взаємопов'язаний, обумовлює повторний кругообіг основних елементів, необхідних живій речовині. У кожній ЕС кругообіг речовини відбувається внаслідок взаємодії автотрофів і гетеротрофів. С, Н, О, N, S, Р й іще біля 30 простих речовин, необхідних для створення живої речовини, безперервно перетворюються в органічні речовини або поглинаються у вигляді неорганічних компонентів автотрофами, а останні використовуються гетеротрофами (спочатку - консументами, потім - деструкторами). Таким чином, біогенні елементи безперервно циркулюють: розчинюючись у континентальних водах (поверхневих), виносяться у моря або надходять до атмосфери, а поміж цими середовищами відбувається постійний газообмін. У зв'язку з цим звично говорять про біологічний кругообіг атомів (БІК). Утворення живої речовини та розкладання органічної речовини - дві сторони єдиного процесу - БІК. У ході БІК атоми поглинаються живою речовиною і заряджаються енергією, потім залишають живу речовину, віддаючи накопичену енергію у довкілля. БІК оборотний не повністю, частина речовин постійно виходить із кругообігу й заховається у товщі осадових порід (стратисфері) у вигляді органогенних вапняків, гумусу, торфу та ін. Внаслідок кругообігу БС не повертається до початкового стану: для БС характерний поступовий рух, тому для БІК більш слушним символом є не коло, а циклоїда.

Для опису поведінки" енергії у ЕС підходить поняття "потік енергі'Г, оскільки на відміну від біогеохімічних круговоротів перетворення енергії йдуть у одному напрямку. Лише 10% енергії, яку отримують рослини, трансформується на біомасу. Рослини фіксують лише 1% сонячного випромінювання, що надходить та виробляють при фотосинтезі свій матеріал, тобто коефіцієнт корисної дії (ККД) фотосинтезу дуже низький (1 -1,6%). Більш високий ККД у культурних рослинах (до 3-5% і більше). При такій незначній витраті сонячної енергії на трансформацію у біопродукцію (1%) виникає питання, на що витрачається решта 99% . Зміна енергетики природної ЕС у межах 1% виводить її із рівноважного стану {правило одного відсотка). Такі глобальні процеси як фотосинтез, звично, мають сумарну енергію, яка не перевищує 1% від енергії сонячного випромінювання, що падає на поверхню нашої планети. Антропогенні зміна зверх допустимої межі здатні викликати негативні наслідки у природних ЕС. Згідно із правилом 10% з одного на більш високий трофічний рівень (продуценти - первинні консументи - вторинні консументи -) переходить близько 10% енергії.

Співвідношення поміж продуцентами, консументами (першого, другого порядків) та редуцентами в екосистемі, яке відбите у їх масі й зображене у вигляді графічної моделі, називається пірамідою біомас. Якщо трофічні зв'язки зобразити з урахуванням співвідношень у кількості особів або видів, то кажуть про піраміду чисел (піраміда чисел Елтону), 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.

Оскільки спільним знаменником і початковою рушійною силою усіх екосистем, як природних, так і антропогенних, є потік енергії, то за джерелом, рівнем та якістю енергії Ю. Одум (1986) виділяє 4 типи ЕС: 1) несупсидовані природні, які отримують енергію Сонця; 2) екосистеми, які одержують енергію від Сонця, але з природною енергетичною субсидією; 3) субсидовані людиною, які отримують енергію від Сонця; 4) промислово-міські ЕС, які отримують енергію палива.

Запитання й завдання для самоконтролю

1. Що таке "біогеохімічний кругообіг" ?

2. Які основні типи "біогеохімічних кругообігів" ?

3. Що таке біологічний кругообіг атомів (БІК) ?

4. Що таке "потік енергії" ?

5. Сформулюйте правила 1% і 10%.

6. Які основні типи екологічних пірамід ?

7. Які принципи енергетичної класифікації екосистем ?