Потоки вещества и энергии в сообществах

Потоки вещества и энергии в сообществах. На своем значительном протяжении пути вещества и энергии в сообществах совпадают. Решающая роль в передаче вещества и энергии в сообществах принадлежит редуцентам. Так, например, углерод включается в цепи сообщества путем фиксации молекулы СО2 в процессе фотосинтеза. Углерод, войдя в чистую первичную продукцию, становится доступным для потребления в качестве компонента сахара, жира. Белка или целлюлозы.

Он проходит такой же путь в сообществах, что и энергия. При этом вещества последовательно потребляются, усваиваются, выделяются с фекалиями, входят в состав вторичной продукции трофических групп. Когда молекула, включающая этот углерод, используется, в конце концов, для совершения работы, ее энергия теряется в виде тепла, а углерод вновь поступает в атмосферу в виде СО2, который является продуктом тканевого дыхания. Здесь пути энергии и углерода или других биогенных элементов расходятся. Вещества могут передаваться по замкнутым циклам и использоваться повторно, а энергия нет. Энергия, перейдя в форму беспорядочного теплового движения, не может использоваться живыми организмами для совершения работы или синтеза биомассы.

Тепло рассеивается в атмосфере и частично уравновешивает поступление на Землю лучистой энергии Солнца. Но углерод при фотосинтезе повторно фиксируется из СО2 и вместе с другими биогенными элементам, как азот, фосфор и т.д. становится доступным для растений в виде простых неорганических молекул, которые присутствуют в атмосфере СО2 и водных растворах нитраты, фосфаты и т. д Каждый из этих элементов может быть включен в процессе фотосинтеза в сложные органические соединения.

Из сложных органических соединений происходит образование биомассы. Вещества через биомассу вновь оказываются доступными для организмов при ее потреблении. Химические соединения расходуются и системами редуцентов. Потери на Потери на Дыхание дыхание Лучистая Солнечная Энергия 1 2 3 На рисунке приведена принципиальная схема потоков вещества и энергии в сообществе.

На рис. 1 - потоки энергии 2 потоки биогенных элементов, связанные с органическим веществом 3 потоки вещества в свободной неорганической форме. Энергия доступна для живых организмов в форме солнечной радиации и связывается в процессе фотосинтеза. Расходование энергии происходит в виде химической энергии. При превращении энергии в тепло происходит ее потеря.

Из рисунка видно, что энергия между мертвым органическим веществом и системой редуцентов, превращающей органические остатки в неорганические вещества, может передаваться в обоих направлениях. Но этот процесс не является круговоротом энергии, он лишь отражает способность системы редуцентов неоднократно перерабатывать органическое вещество. При этом каждый джоуль лучистой солнечной энергии используется только один раз, и жизнь на Земле возможна только благодаря новому ежедневному постоянному поступлению солнечной энергии.

В отличие от энергии солнечной радиации запасы биогенных элементов непостоянны. Процесс связывания некоторой их части в живой биомассе снижает их количество, которое остается сообществу. Поэтому если бы растения и фитофаги, в конечном счете, не разлагались, то запас веществ в том числе химических элементов, необходимых для существования живых организмов, исчерпался бы и жизнь на Земле прекратилась. Из рисунка видно, что высвобождение биогенов в форме простых неорганических соединений происходит только из системы редуцентов.

В действительности же некоторую долю этих простых молекул особенно СО2 дает и система консументов. Но система консументов возвращает в круговорот весьма незначительную часть биогенных элементов. Решающая роль в круговороте вещества принадлежит системе редуцентов. На рисунке не отражен тот факт, что фактически не все биогенные элементы, высвобождаемые редуцентами, вновь неизбежно попадают в растения.

В сообществах могут быть как потери, так и дополнительные поступления биогенных элементов. То есть круговорот биогенных элементов никогда не бывает безупречным. Кроме существующих в сообществах потоков вещества и некоторого их оттока, сообщество получает биогенные элементы из дополнительных источников, которые не являются связанными с недавно разложившимся веществом. В таблице приведены различные пути поступления и потерь биогенных элементов в наземных сообществах. ппПотериПоступления1Вымывание и вынос текучими водамиОсадки2Сдувание пыли ветромВыпадение пыли из атмосферы3Биотическая эмиграцияБиотическая иммиграция4Высвобождение в атмосферуФиксация из атмосферы5ВыщелачиваниеВыветривание субстрата6Сбор урожая человекомВнесение удобрений и загрязнение8 Факторы, влияющие на получение первичной продукции.

Взаимодействия человека с промышленными сообществами являются необходимыми для выбора правильной с экономической точки зрения, стратегии взаимоотношений. Но эти взаимоотношения не затрагивают обмена вещества и энергии между компонентами биогеоценозов, которые играют важную роль в жизни организмов, популяций и сообществ.

Так, все организмы нуждаются для построения своих тел в веществе, а для поддержания своей жизнедеятельности в энергии. Солнечный свет, двуокись углерода, вода и минеральные соли это ресурсы, требующиеся для создания первичной продукции. На скорость фотосинтеза оказывает существенное влияние и температура. Обычно в атмосфере содержится около 0,03 СО2. Хотя вблизи растений эта концентрация меняется, она обычно не играет заметной роли в лимитировании продуктивности растений.

Но качество и количество света, наличие воды и биогенных элементов, а также температура являются весьма изменчивыми факторами, и они способны лимитировать первичную продукцию. На каждый квадратный метр земной поверхности ежеминутно падает от 0 до 5 Дж солнечной энергии. Если бы вся солнечная энергия фотосинтетически превращалась в биомассу, то растительности на Земле было бы на порядок или два выше, чем в настоящее время.

Но по спектральному составу только около 44 падающего коротковолнового света пригодно для фотосинтеза, а значительная доля солнечной энергии растениям недоступна. Наиболее высокой эффективностью использования солнечной энергии обладают хвойные леса, которые 1 3 фотосинтетически активной радиации превращают в биомассу. Листопадные леса способны превращать в биомассу 0,5 1, а пустыни, несмотря на более высокую освещенность - 0,01 0,02о. Максимальная эффективность фотосинтеза зерновых культур при идеальных условиях составляет 3 10. К биомассе относятся тела организмов целиком, даже если некоторые их части мертвые. Это необходимо учитывать особенно при рассмотрении лесных сообществ, где значительная доля биомассы приходится на мертвые клетки древесины и коры. Мертвые организмы или их части перестают быть биомассой лишь тогда, когда они становятся лесной подстилкой, гумусом или торфом.

Использование доступного для растений света намного улучшается при хорошей обеспеченности и другими ресурсами.

Вода является незаменимым ресурсом и как составная часть клетки, и как участник фотосинтеза. Поэтому продуктивность всегда тесно связана с количеством выпадающих осадков. На продуктивность существенно влияет и температура среды. Эта зависимость имеет сложный характер. Продукция наземного сообщества зависит и от содержания в почве необходимых для растений различных микроэлементов. Из всех почвенных биогенных элементов наиболее существенное влияние на продуктивность оказывают соединения азота.

Причем их происхождение для растений должно быть биологическое, как результат фиксации азота микроорганизмами, а не геологическое. Для первичной продукции в водной среде наибольшее значение имеют биогенные элементы, свет и интенсивность выедания. Среди первых важнейшую роль играют азот обычно в форме нитрата и фосфор фосфат. На продуктивность существенное влияние оказывает и деятельность человека.

Там же. С.73-77. 9