Екосистеми и потоци на енергия — урок по биология

1. Какво е екосистема

Организмите не живеят поотделно. Всички на едно място – растения, животни, , микроорганизми – образуват съобщество (биоценоза). заедно с неживата среда (биотоп) – светлина, вода, почва, въздух, температура – е екосистема. Една локва, една букова гора, Черно море и цялата биосфера са екосистеми с различни размери. Екологията е науката за отношенията на организмите помежду им и със средата.

О

Екосистема

Съвкупност от живите организми на дадено място (биотични компоненти) и неживата им среда (абиотични фактори), свързани чрез поток на енергия и кръговрат на веществата. Абиотични фактори са светлината, температурата, водата, соленоста, pH и минералните вещества; биотични – отношенията с други организми: храна, хищници, паразити, конкуренти.

Всеки вид издържа само определен диапазон на всеки фактор – има граници на толерантност и оптимум. Растежът се ограничава от този фактор, който е най-далеч от нужното: това е и , които вече срещнахме при фотосинтезата и минералното хранене на растенията. В морето това често е азотът или фосфорът, в пустинята – водата, в тундрата – топлината.

2. Продуценти, консументи и разлагачи

По това откъде вземат енергия и органични вещества организмите в една екосистема изпълняват три роли:

О

Трите роли в екосистемата

Продуценти – автотрофи, които създават органични вещества от неорганични: растенията, водораслите и цианобактериите чрез фотосинтеза, а някои бактерии – чрез хемосинтеза. Консументи – хетеротрофи, които ядат други организми: първични (растителноядни), вторични и третични (хищници); всеядните са на няколко нива. Разлагачи (редуценти) – бактерии и гъби, които разграждат мъртвата органика до минерални вещества и ги връщат на продуцентите.

Продуцентите са , а консументите и разлагачите – . Разлагачите са : отделят навън и всмукват разградените вещества. Животните, които ядат мъртва органика – дъждовни червеи, мокрици, бръмбари – се наричат детритофаги: те раздробяват остатъците и ускоряват работата на и гъбите. Без разлагачите азотът, фосфорът и другите елементи биха останали заключени в мъртвите тела и животът би спрял.

Почти всички екосистеми живеят от слънчевата енергия. Изключение са съобществата около хидротермалните извори на океанското дъно: там продуценти са бактерии, които получават енергия от окисляване на сероводород (хемосинтеза), а гигантските тръбести червеи живеят в с тях.

3. Хранителни вериги и мрежи

Пътят на храната от организъм към организъм е хранителна верига: трева → скакалец → жаба → змия → ястреб. Всяко звено е трофично ниво: продуцентите са на ниво 1, растителноядните – на 2, хищниците, които ги ядат – на 3 и т.н. Веригите, които започват от живи растения, са пасищни, а тези, които започват от мъртва органика (листа → дъждовен червей → кос), – детритни. В гората през детритните вериги минава по-голямата част от енергията.

В природата повечето животни ядат различна храна и самите те са храна за много хищници. Веригите се преплитат в хранителна мрежа. Колкото повече връзки има мрежата, толкова по-устойчива е обикновено: ако изчезне една жертва, хищникът минава на друга.

видове17 от 17изчезнали вторично0връзки28най-дълга верига6 звена

„хамсия“: трофично ниво 3,0. Храни се с: зоопланктон. Хищници: сафрид, чайка, калкан, паламуд, делфин.

💡 Щракни върху вид, за да го махнеш или върнеш. Стрелките сочат накъдето тече енергията – от храната към яжещия. † – изчезнал, защото не му е останала храна; ↑ – загубил хищник; ↓ – загубил част от храната си. Трофичното ниво на всеки консумент е 1 + средното ниво на храната му, затова не е цяло число. Мрежата е силно опростена: истинската има стотици видове, а детритът и бактериите, които разграждат мъртвата органика, не са показани.

Т

Трофично ниво на всеяден организъм

TL = 1 + Σ pᵢ · TLᵢ, където pᵢ е делът на храната i в менюто, а TLᵢ – нейното трофично ниво. Продуцентите имат TL = 1. Затова всеядните и много хищници имат дробни нива.

Пример

Човек получава 80 % от храната си от растения и 20 % от месо и мляко на растителноядни животни. Какво е трофичното му ниво?

Растенията са на ниво 1, растителноядните – на ниво 2.
$TL = 1 + 0{,}8 \cdot 1 + 0{,}2 \cdot 2 = 2{,}2$
Средното трофично ниво на хората по света е около 2,2 по оценки от 2013 г. – близо до прасето и хамсията, а не до тигъра.

Промяна на едно ниво се предава нагоре и надолу по мрежата. Когато изчезне хищникът, жертвите му се размножават, а те пък изяждат повече от своята храна – това е трофична каскада. Класически пример са морските видри по тихоокеанския бряг на Америка: когато са ловувани почти до изчезване, морските таралежи се размножават и изяждат подводните гори от кафяви . Подобно е и при мнемиопсиса: без хищника берое той изяжда зоопланктона, а оттам страдат и рибите.

4. Поток на енергията

Растенията връзват едва около 1 % от слънчевата светлина, която пада върху тях – фотосинтезата е ограничена от светлината, CO₂, водата и температурата. Цялата енергия, свързана в органични вещества, е брутната първична продукция (БПП). Около половината от нея растенията изразходват сами при клетъчното дишане. Останалото – прираст на листа, стъбла, корени и – е нетната първична продукция (НПП). Само тя е храна за консументите.

Т

Правилото на 10-те процента

НПП = БПП − R. При всеки преход от едно трофично ниво към следващото преминава средно около 10 % от енергията (обикновено 5–20 %). Останалото се губи: част от организмите не се изяждат, част от изяденото не се усвоява (изхвърля се с изпражненията), а голяма част от усвоеното се изразходва за дишане и излиза като топлина. Затова Eₙ ≈ E₁ · 0,1ⁿ⁻¹.

Енергията не изчезва, но при всяко превръщане част от нея става топлина, която организмите вече не могат да използват – това е вторият закон на термодинамиката. Затова енергията тече през екосистемата в една посока: от Слънцето през нивата към топлината, която се излъчва в Космоса. Идеята, че екосистемата може да се опише с енергийни потоци между трофичните нива, е на младия американски еколог Реймънд Линдеман (1942 г.).

Пример

Продуцентите на 1 m² ливада имат НПП 20 000 kJ за година. Колко енергия стига до хищника на четвъртото ниво (трева → скакалец → жаба → змия)?

От ниво 1 до ниво 4 има 3 прехода.
$E_4 = 20\,000 \cdot 0{,}1^3 = 20\ \mathrm{kJ}$ – една хилядна от енергията на тревата.
Ако змията има нужда от 2000 kJ за година, тя трябва да ловува на площ от около $\frac{2000}{20} = 100\ \mathrm{m^2}$ , а ястребът над нея – на хиляди квадратни метри.

Ефективността на прехода зависи от животните. (птици и бозайници) харчат много енергия, за да поддържат температурата си, и превръщат в прираст само около 1–3 % от усвоеното; студенокръвните – рибите, насекомите – обикновено 10 % и повече. Вероятно това е една от причините хранителните вериги в морето често да са по-дълги, отколкото на сушата.

5. Екологични пирамиди

Ако нарисуваме нивата едно върху друго като ленти с дължина, пропорционална на някаква величина, се получава екологична пирамида. Има три вида:

на броя – колко организма има на всяко ниво; може да е обърната (едно дърво храни хиляди насекоми);
на биомасата – масата на живите организми в даден момент (g/m²); в морето понякога е обърната, защото фитопланктонът се изяжда почти веднага след като се образува;
на енергията – енергията, произведена на всяко ниво за година; тя никога не е обърната.

фото %1дишане50ефект.10

БПП50 000 kJ/m²НПП25 000 kJ/m²до хищници III0,00005 % от светлината

НПП = БПП − дишане = 50 000 − 25 000 = 25 000 kJ/m²; всяко следващо ниво: × 0,1

От 5 000 000 kJ слънчева енергия на квадратен метър за година растенията връзват около 1 %. След 4 прехода до хищниците от трето ниво стигат само 2,5 kJ – затова хранителните вериги рядко имат повече от 4–5 звена, а големите хищници са малко и им трябва голяма територия.

💡 БПП – брутна първична продукция (цялата енергия, свързана при фотосинтезата); НПП – нетна първична продукция (остава след дишането на самите растения) – само тя е достъпна за растителноядните. Ефективността на прехода между нивата обикновено е 5–20 %, средно около 10 %: останалото се губи при дишането като топлина, не се изяжда или не се усвоява и отива при разлагачите. В линеен мащаб горните нива почти не се виждат – включи логаритмичния.

6. Продуктивност на екосистемите

Колко органично вещество създават продуцентите, зависи от светлината, водата, топлината и хранителните вещества. Ето средни оценки за нетната първична продукция (по Уитакър и Ликенс, 1975 г.; сухо вещество):

Екосистема	НПП, g/m² за година
коралови рифове и водорасли по брега	≈ 2500
тропическа дъждовна гора	≈ 2200
блата и мочурища	≈ 2000
устия на реки	≈ 1500
широколистна гора в умерения пояс	≈ 1200
обработваеми земи	≈ 650
степ (умерени треви)	≈ 600
тундра	≈ 140
открит океан	≈ 125
пустиня	≈ 90

Откритият океан на квадратен метър е беден почти като пустинята: светлина има, но липсват азот, фосфор и желязо, които потъват с мъртвите организми. Само защото е огромен, той дава почти половината от продукцията на Земята – по спътникови оценки около 105 милиарда тона въглерод годишно на цялата планета, от които около 46 % в океана.

7. Кръговрат на веществата

Енергията минава през екосистемата веднъж, но веществата се използват отново и отново: въглеродът в днешната ти закуска е бил в динозаври и в древни водорасли. Пътищата на елементите между живите организми, въздуха, водата и скалите се наричат биогеохимични цикли.

Въглеродът влиза в живия свят чрез и се връща в атмосферата чрез дишането, разлагането и горенето. Химията на , и подкисляването на океана е разгледана в Химия на околната среда.

О

Кръговрат на азота

1) Азотфиксация: бактерии (свободни и в грудките на бобовите) превръщат N₂ от въздуха в амоняк; малко азот се свързва и от мълниите, а днес – и в торовете. 2) Растенията поемат амониеви йони и нитрати и ги вграждат в аминокиселини и нуклеотиди; животните ги получават с храната. 3) Амонификация: разлагачите превръщат белтъците на мъртвите организми и отпадъците в амоняк. 4) Нитрификация: бактерии окисляват амоняка до нитрити, а други – до нитрати. 5) Денитрификация: в почва без кислород бактерии превръщат нитратите обратно в N₂.

Как точно бактериите разкъсват тройната връзка в N₂, е разказано при в Микроорганизми. Фосфорът няма газообразна форма: той се освобождава бавно при изветрянето на скалите, минава през растенията и животните и накрая се утаява на дъното на моретата. Затова често е ограничаващият елемент в сладките води, а торовете, които се оттичат от нивите, предизвикват .

8. Биоакумулация и биомагнификация

Някои вещества не се разграждат и не се изхвърлят от тялото – натрупват се в него през целия живот (биоакумулация). Ако такова вещество се разтваря в мазнините, всеки хищник получава заедно с храната и отровата, натрупана в нея. Тъй като за всеки килограм от тялото си той е изял около 10 kg храна, концентрацията расте с всяко ниво – това е биомагнификация.

Т

Биомагнификация

Cₙ₊₁ = Cₙ · BMF, където BMF ≈ f / g: f е делът от погълнатото вещество, който животното задържа, а g – делът от изядената храна, който става част от тялото. При f = 0,8 и g = 0,1 концентрацията расте 8 пъти на всяко ниво. Вещества, които бързо се изхвърлят (малко f), не се натрупват.

lg BCF2,9задържа80растеж10

BCF (планктон/вода)794BMF на ниво8птици/вода407 000 пъти

BMF = задържана част / ефективност на растежа = 80 % / 10 % = 8

ДДТ се разтваря в мазнините, не в кръвта, и почти не се разгражда: животното го задържа и го трупа през целия си живот. Точките са закръглени измервания от едно устие на река край Лонг Айлънд (Удуел и сътрудници, 1967 г.).

💡 Планктонът поема веществото направо от водата (коефициент на биоконцентрация BCF). Всеки консумент, за да натрупа 1 kg тяло, изяжда около 1/(ефективност на растежа) kg храна – при 10 % това са 10 kg. Ако задържи 80 % от отровата в тях, концентрацията в тялото му става 0,8 · 10 = 8 пъти по-висока от тази в храната (BMF). Моделът е опростен: рибите поемат отрова и през хрилете, а концентрацията зависи от възрастта, мазнините и вида.

През 50-те и 60-те години инсектицидът ДДТ се пръска масово. Във водата го има съвсем малко, но в хищните птици – сокол скитник, белоглав орел, кафяв пеликан – концентрацията е стотици хиляди пъти по-голяма. Продуктът му ДДЕ прави черупките на яйцата им тънки и те се чупят при мътенето – числеността на тези птици рязко спада. Книгата „Тиха пролет“ на Рейчъл Карсън (1962 г.) привлича вниманието към проблема и през 70-те години ДДТ е забранен за земеделие в много страни. В Минамата (Япония) химически завод години наред изпуска в залива отпадъчни води с метилживак. Той се натрупва в рибите и от 50-те години хиляди хора, които ги ядат, се разболяват тежко.

9. Тренажор

Енергия по трофичните нива, ефективност на прехода, нетна продукция, биомагнификация и трофично ниво на всеядни.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

\text{БПП} = 1\,700,\ R = 765

Брутната първична продукция и дишането на растенията са дадени в g/m² за година. Колко е нетната първична продукция?

10. Екосистемите в числа

0 / 6

🦅 Обедът на орела

Скален орел изяжда за година около 150 kg зайци. При ефективност 10 % колко kg трева трябва да изядат зайците? Каква площ ливада дава толкова трева, ако нетната първична продукция е 600 g/m² за година и зайците изяждат всичко?

🌾 Хляб или пържола

Нива дава за година зърно с 30 000 MJ хранителна енергия. Човек има нужда от около 3650 MJ годишно (10 MJ на ден). Колко души изхранва нивата, ако ядат зърното? А ако зърното отива за говеда и хората ядат месото им (ефективност 10 %)?

🐟 Силвър Спрингс

В реката Силвър Спрингс (Флорида) Хауърд Одъм измерва за година на 1 m²: брутна продукция на продуцентите 87 069 kJ, на растителноядните – 14 092 kJ. Каква е ефективността на прехода в проценти? Колко kJ са се „загубили“?

☠️ ДДТ край Лонг Айлънд

През 60-те години във водата на едно устие има около 0,00005 ppm ДДТ, а в рибоядните птици – около 25 ppm. Колко пъти е по-висока концентрацията в птиците? Ако между водата и птиците има 4 прехода (вода → планктон → малки риби → хищни риби → птици) с еднакво увеличение, колко е то на всеки преход?

🌊 Суша и океан

Според спътникови оценки сушата дава около 56,4 милиарда тона въглерод нетна първична продукция за година, а океанът – около 48,5 милиарда тона. Океанът заема 71 % от повърхността на Земята. Колко пъти по-продуктивен е средно 1 m² суша от 1 m² океан?

🍀 Безплатен тор

Нива с детелина и грудковите ѝ бактерии свързват около 150 kg азот на хектар за година. Колко kg карбамид (тор с 46 % азот) спестява това на хектар?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

11. ⚠️ Чести грешки

Енергия и вещества

✗ Енергията се движи в кръг, както веществата.

✓ Веществата се използват отново, а енергията минава веднъж и излиза като топлина. Екосистемата има нужда от постоянен приток – от Слънцето.

Посоката на стрелките

✗ Стрелката „заек → лисица“ означава, че заекът яде лисицата.

✓ Стрелките във веригата сочат накъдето тече енергията – от храната към този, който я яде.

Къде отиват 90 %

✗ 90 % от енергията се унищожават при всеки преход.

✓ Енергията не се унищожава: голяма част става топлина при дишането, а неизяденото и неусвоеното отиват при разлагачите.

Обърнатите пирамиди

✗ Щом пирамидата на биомасата е обърната, зоопланктонът получава повече енергия, отколкото има фитопланктонът.

✓ Малко фитопланктон в даден момент се подменя много бързо; за година той произвежда много повече от зоопланктона. Пирамидата на енергията е права.

Разлагачите

✗ Разлагачите са маловажни – те само „чистят“.

✓ Без тях минералните вещества не се връщат в почвата и продуцентите спират да растат. През тях минава голяма част от енергията.

Повече звена

✗ Хищникът на върха получава най-много енергия, защото яде всички под него.

✓ Обратното – на върха стига най-малко енергия. Затова големите хищници са малко и им трябва голяма територия.

12. 🎯 Бърз тест

1 / 9

✓ 0

Какво е екосистема?

Избери отговор (или натисни 1–4)

13. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

14. Обобщение

✓ Екосистема = съобщество (биоценоза) + нежива среда (биотоп); абиотични и биотични фактори, ограничаващ фактор
✓ Продуценти (автотрофи), консументи (първични, вторични, третични) и разлагачи (бактерии и гъби)
✓ Хранителни вериги – пасищни и детритни; преплитат се в хранителни мрежи; трофично ниво $TL = 1 + \sum p_i TL_i$
✓ Трофична каскада: махането на хищник променя няколко нива под него
✓ НПП = БПП − дишане; растенията връзват около 1 % от светлината
✓ Правилото на 10-те процента: $E_n \approx E_1 \cdot 0{,}1^{n-1}$ – затова веригите са къси
✓ Пирамиди на броя и биомасата могат да са обърнати, пирамидата на енергията – никога
✓ Енергията тече в една посока, веществата се движат в кръг: цикли на въглерода, азота (фиксация, амонификация, нитрификация, денитрификация) и фосфора
✓ Устойчивите мастноразтворими вещества (ДДТ, метилживак) се натрупват по веригата: $C_{n+1} = C_n \cdot \text{BMF}$

💡 Интересен факт

Статията, в която Реймънд Линдеман описва екосистемата като поток на енергия през трофичните нива, първо е отхвърлена от рецензентите като „твърде теоретична“. Неговият ръководител Джордж Ивлин Хътчинсън настоява и тя излиза през 1942 г. – но Линдеман не я вижда отпечатана: умира няколко месеца по-рано, на 27 години. Днес тази статия е една от най-цитираните в историята на екологията.