Вопрос 14 ) Пирамиды, энергии и численность биомассы. Биогенные элементы. Их роль для живых существ. Макро- и микроэлементы.

Экологические пирамиды

Пищевые сети служат основой для построения экологических пирамид. Эту графическую модель разработал в 1927 г. американский зоолог Чарльз Элтон. Основанием пирамиды служит первый трофический уровень — уровень продуцентов, а следующие этажи пирамиды образованы последующими уровнями — консументами различных порядков. Высота всех блоков одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне. Различают три способа построения экологических пирамид.

 Пирамида чисел

Пирамида чисел (численностей) отражает численность отдельных организмов на каждом уровне. Например, чтобы прокормить одного волка, необходимо по крайней мере несколько зайцев, на которых он мог бы охотиться; чтобы прокормить этих зайцев, нужно довольно большое количество разнообразных растений. Иногда пирамиды чисел могут быть обращенными, или перевернутыми. Это касается пищевых цепей леса, когда продуцентами служат деревья, а первичными консументами — насекомые. В этом случае уровень первичных консументов численно богаче уровня продуцентов (на одном дереве кормится большое количество насекомых).

 Пирамида биомасс

Пирамида биомасс — соотношение масс организмов разных трофических уровней. Обычно в наземных биоценозах общая масса продуцентов больше, чем каждого последующего звена. В свою очередь, общая масса консументов первого порядка больше, нежели консументов второго порядка и т.д. Если организмы не слишком различаются по размерам, то на графике обычно получается ступенчатая пирамида с суживающейся верхушкой. Так, для образования 1 кг говядины необходимо 70—90 кг свежей травы.

В водных экосистемах можно также получить обращенную, или перевернутую, пирамиду биомасс, когда биомасса продуцентов оказывается меньшей, нежели консументов, а иногда и редуцентов. Например, в океане при довольно высокой продуктивности фитопланктона общая масса в данный момент его может быть меньше, нежели у потребителей-консументов (киты, крупные рыбы, моллюски). Пирамида биомасс отражает статику системы, т. е. характеризует биомассу организмов в определенный промежуток времени. Она не дает полной информации о трофической структуре экосистемы, хотя позволяет решать ряд практических задач, особенно связанных с сохранением устойчивости экосистем.

Пирамида энергии

Пирамида энергии отражает величину потока энергии, скорость прохождения массы пищи через пищевую цепь. На структуру биоценоза в большей степени оказывает влияние не количество фиксированной энергии, а скорость продуцирования пищи.

Установлено, что максимальная величина энергии, передающейся на следующий трофический уровень, может в некоторых случаях составлять 30 % от предыдущего, и это в лучшем случае. Во многих биоценозах, пищевых цепях величина передаваемой энергии может составлять всего лишь 1 %.

В 1942 г. американский эколог Р. Линдеман сформулировал закон пирамиды энергий (закон 10 процентов), согласно которому с одного трофического уровня через пищевые цепи на другой трофический уровень переходит в среднем около 10 % поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды энергии. Остальная часть энергии теряется в виде теплового излучения, на движение и т.д. Организмы в результате процессов обмена теряют в каждом звене пищевой цепи около 90 % всей энергии, которая расходуется на поддержание их жизнедеятельности.

Если заяц съел 10 кг растительной массы, то его собственная масса может увеличиться на 1 кг. Лисица или волк, поедая 1 кг зайчатины, увеличивают свою массу уже только на 100 г. У древесных растений эта доля много ниже из-за того, что древесина плохо усваивается организмами. Для трав и морских водорослей эта величина значительно больше, поскольку у них отсутствуют трудноусвояемые ткани. Однако общая закономерность процесса передачи энергии остается: через верхние трофические уровни ее проходит значительно меньше, чем через нижние.

Вот почему цепи питания обычно не могут иметь более 3—5 (редко 6) звеньев, а экологические пирамиды не могут состоять из большого количества этажей. К конечному звену пищевой цепи так же, как и к верхнему этажу экологической пирамиды, будет поступать так мало энергии, что ее не хватит в случае увеличения числа организмов.

Этому утверждению можно найти объяснение, проследив, куда тратится энергия потребленной пищи (С). Часть ее идет на построение новых клеток, т.е. на прирост (Р). Часть энергии пищи расходуется на обеспечение энергетического обмена (R) или на дыхание (i) . Поскольку усвояемость пищи не может быть полной, т.е. 100 %, то часть неусвоенной пищи в виде экскрементов удаляется из организма (F). Балансовое равенство будет выглядеть следующим образом:

С = Р + R + F .

Учитывая, что энергия, затраченная на дыхание, не передается на следующий трофический уровень и уходит из экосистемы, становится ясным, почему каждый последующий уровень всегда будет меньше предыдущего.

Именно поэтому большие хищные животные всегда редки. Поэтому также нет хищников, которые питались бы волками. В таком случае они просто не прокормились бы, поскольку волки немногочисленны.

Экологические пирамиды чисел, биомассы и энергии, изображенные в виде графических моделей, выражают количественные соотношения разных по способу питания организмов: продуцентов, консументов и редуцентов.

БИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ — химические элементы, постоянно входящие в состав организмов и выполняющие определенные биологические функции.

Важнейшие биогенные элементы: кислород (О) (составляет около 70% массы организмов), углерод (C) (18%), водород (H) (10%), азот (N), бор (B), сера (S), кальций (Ca), калий (K), натрий (Na), хлор (Cl).

Биогенные элементы, необходимые организмам в ничтожных количествах, называются микроэлементами.

Макроэлементы - вещества, содержание которых превышает 0,01% массы тела.

Микроэлементы - вещества, концентрация которых в организме равна или менее 0,01% массы тела (от 0,01 до 0,000000000001%). Микроэлементы с содержанием ниже 10-5% (золото, ртуть, уран, радий и др.) относят к ультрамикроэлементам («следовые элементы» (trace elements) в немецко- и англоязычной литературе, «олигоэлементы» - во франкоязычной литературе) . В.И. Вернадский в своих трудах называет их «рассеянными элементами» .

В организме здорового человека присутствуют 12 макроэлементов (C, H, O, N, Ca, Cl, F, K, Mg, Nа, P, S) и 69 микроэлементов . При этом у взрослого содержание кальция в среднем составляет более 1200г, фосфора - свыше 600г, магния - 20г, железа - 3-5г. В костях скелета сосредоточено 99% всего кальция, 87% фосфора и 58% магния. Хлористого натрия особенно много в подкожной жировой клетчатке, железа - в печени, калия - в мышцах, йода - в щитовидной железе . Ежесуточно взрослому человеку требуется 5г натрия, 2-3г калия, 0,5-1г кальция, 1-2г фосфора, 1г серы, 0,5г магния, 10-30мг железа, 12-16мг цинка, 2-2,5мг меди, 4мг марганца, 1-1,5мг фтора, 0,1-0,2мг йода . Тканевые депо обладают мощными резервами макроэлементов, тогда как тканевые резервы микроэлементов незначительны. Этим объясняются низкие адаптационные возможности организма к дефициту микроэлементов в пище .

По степени значимости для организма человека макро- и микроэлементы делят на следующие группы:

жизненно важные (эссенциальные) элементы - это все макроэлементы (H, O, N, C, Ca, Cl, F, K, Mg, Na, P, S) и 8 микроэлементов (Cr, Cu, Fe, I, Mn, Mo, Se, Zn);

жизненно важные, но способные вызвать патологические изменения в организме, находясь в дозах, превышающих норму (условно эссенциальные) микроэлементы (B, Co, Ge, Li, Si, V);

потенциально токсичные микроэлементы и ультрамикроэлементы (Ag, As, Au, Br, Ce, Cs, Dy, Er, Eu, Ga, Gd, Hf, Ho, In, Ir, La, Lu, Nb, Nd, Ni, Os, Pd, Pr, Pt, Rb, Re, Rh, Ru, Sb, Sc, Sm, Sn, Sr, Ta, Tb, Te, Th, Ti, Tm, U, W, Y, Yb, Zr);

токсичные элементы (Al, Cd, Pb, Hg, Be, Ba, Tl, Вi).

Макро-, микроэлементы. 

Их значение в жизни животных  Железо. Около половины всего железа в организме существует в форме гемоглобина - вещества, которое придает крови красный цвет. Гемоглобин переносит кислород из легких по всему телу, поэтому низкое содержание железа проявляется в уста­лости и мышечной слабости. Железо требуется для структурного построения мышечных белков (миоглобин). Оно участвует во многих биохимических реакциях как катализатор. Для того чтобы железо эффективно работало в орга­низме, необходимы кальций и медь. О низком количестве железа свидетельствует бледная кожа и бледные слизистые оболочки, что является классическими признаками анемии.  Хром. Этот элемент участвует в метаболизме углеводов и жиров, вовлечен в процесс образования инсулина. Низкие уровни хрома в организме вызывают резкие колебания содержания сахара в крови и могут способствовать заболеваниям поджелудочной железы. К дефициту хрома могут привести высо­кие уровни различных сахаров в диете. С возрастом способность усваивать и запасать хром уменьшается.  Медь. Незаменимый компонент многих биохимических реакций в организме. Участвует в образовании красных кровя­ных телец. Медь действует и как антиоксидант, поскольку это компонент многих ферментов, присутствующих в клет­ках, включая супероксиддисмутазу, которая подавляет сво­бодные радикалы. Дефицит меди проявляется бледной кожей, заметными венами, кишечными расстройствами. Сверхдефицит может привести к хрупкости костей, поседению волосяного покрова, а низкое содержание в лимфоцитах - к понижению устойчивости организма к инфекциям  Йод. Хорошо известен как регулятор функции щитовидной железы, которая управляет обменом веществ и регулирует вес. Йод способствует образованию гормонов, включая тироксин и трийодтиронин, которые контролируют скорость обмена веществ, сопровождаемого высвобождением энергии. Его усвоение ухуд­шается и из-за приема многих лекарств. Дефицит йода отмечается во многих областях Украины.  Марганец. Необходим для нормального роста и развития. Помога­ет в синтезе защитного гликопротеина, покрывающего клетки. Кроме того, необходим организму, чтобы создавать естественный противовирусный белок интерферон и способствовать регуляции содержания сахара в крови. Марга­нец работает и как антиоксидант, поскольку входит в состав фермента под названием супероксиддисмутаза. Этот фер­мент борется со свободными радикалами. Марганец нужен организму для того, чтобы в полной мере использо­вались витамины С, Е и комплекс витаминов В.  Молибден. Большая часть молибдена откладывается в печени, а потом расходуется на метаболизм железа. Он имеет различные функции и предотвращает разрушение зубов. Молибден помогает удалять излишки меди из ор­ганизма.  Селен. Это редкий и очень ценный для организма элемент. Жизненно необходим как антиоксидант. Селен нужен также для образования белков в нашем организме, он поддержива­ет нормальную работу печени и укрепляет иммунную сис­тему. Селен - компонент спермы, важный для поддержания репродуктивной функции. Селен помогает выводить из ор­ганизма ионы тяжелых металлов, включая кадмий и мышь­як.  Кремний. В организме лошади кремний небольшая, но жизненно важная часть всех соединительных тканей, костей, кровеносных сосудов и хрящей. Он играет важную роль в предотвращении остеопороза (хрупкости костей), способствуя утилизации кальция в костной ткани. Кремний поддерживает клетки кожи, улучшает состояние шерстного покрова и укрепляет роговой слой копыт, стимулирует синтез коллагена и кератина.  Сера. Этот микроэлемент поддерживает упругость и здоро­вый вид кожи. Сера необходима для образования кератина - белка, находящегося в суставах, волосяном покрове и роговом слое. Играет важную роль, входя в состав почти всех белков и ферментов в организме. Атомы серы включены в молекулы жизненно важных соединений, таких, как аминокислоты цистеин и метионин, а также содержатся в тиамине и биотине - витаминах группы В. 

Цинк. Большая часть цинка находится в костях, но он нужен и для работы более восьмидесяти ферментов организма, и для образования красных кровяных телец. Цинк действует регулятором внутренних процессов, направляя и поддерживая их течение, а также стимулирует работу клеток в организме. Считается, что цинк сам обладает функциями антиоксиданта и способствует усилению действия других антиоксидантов.