Слайд 1ЭНЕРГИЯ В ЭКОСИСТЕМАХ
Иллюстрации к курсу «Экология»
Лектор: к.т.н. П.Ф. Агаханянц
Слайд 2Закон сохранения энергии
(≈1 закон термодинамики)
Энергия не может возникнуть из
ничего и не может исчезнуть в никуда, она может только
переходить из одной формы в другую.
Слайд 4Что является источником энергии экосистем?
Источник энергии для растений?
Источник энергии для
животных?
Источник энергии для микроорганизмов?
Источник энергии для грибов?
Слайд 5Формы энергии в экосистеме
Энергия солнечного света
Химическая энергия органических веществ.
Механическая энергия
(ветер, течения).
Тепловая энергия окружающей среды.
Каждая форма энергии может использоваться
только в определенных целях.
Слайд 62 закон термодинамики
Энтропия изолированной (закрытой) системы не может уменьшаться.
≈самопроизвольно в замкнутой системе протекают только процессы, сопровождающиеся ростом энтропии.
Слайд 7Энтропия
Низкоэнтропийное состояние
Высокоэнтропийное состояние
Слайд 82 закон термодинамики
Энтропия изолированной системы не может уменьшаться.
ТО
ЕСТЬ: самопроизвольно происходят только процессы рассеивания энергии, уменьшения ее «качества».
НО: экосистемы не являются изолированными системами.
Слайд 9Поток энергии в экосистеме
Энергия в экосистеме не совершает круговорот, а
постепенно трансформируется в тепловую энергию и уходит из экосистемы.
Поэтому
необходимым условием существования экосистемы является постоянный приток энергии извне.
Слайд 10Длина волны, нм
Солнечный свет на верхней границе атмосферы
Солнечный свет на
уровне моря
Энергия (ватт/м2)
УФ
Види-мый
Инфракрасный
Спектры солнечного излучения
Слайд 11Как эта энергия распределяется и как она попадает в экосистемы?
Слайд 12Распределение энергии солнечного излучения (в % от годового поступления в
биосферу)
Слайд 13Превращение энергии Солнца в энергию пищи путем фотосинтеза
Солнце
Слайд 14Фотосинтез
СО2 + H2O + энергия солнечного света C6H12O6
+ O2↑
Энергия концентрируется и запасается
Процесс нуждается в энергии света
Продукт
– молекула гексозы (глюкоза, фруктоза), которая затем используется
для синтеза тканей организма
и как источник энергии.
Образующийся кислород является побочным продуктом
Слайд 15Фотосинтез
Энергия света в процессе фотосинтеза используется для синтеза органических соединений
из углекислого газа (СО2) и воды.
Фотосинтез осуществляется фотоавтотрофными организмами
– растениями, водорослями, определенными бактериями.
Жизненно необходимый для высших организмов атмосферный кислород также поступает в атмосферу преимущественно благодаря фотосинтезу.
Слайд 17Хлорофилл
Использование энергии фотона для химической рекации – сложный процесс, в
котором участвует хлорофилл – зеленый пигмент, содержащий ионы Мg+
Слайд 18Автотрофы
Автотрофы («самопитающие») – организмы, образующие органическое вещество своего тела из
неорганических веществ – диоксида углерода и воды – посредством процессов
фотосинтеза и хемосинтеза.
Фотосинтез осуществляют фотоавтотрофы – все зеленые растения, водоросли и фотосинтезирующие микроорганизмы.
Слайд 19Автотрофы
Хемосинтез наблюдается у некоторых хемоавтотрофных бактерий, которые используют в качестве
источника энергии окисление водорода, серы, сероводорода, аммиака, железа.
Хемоавтотрофы в
природных экосистемах играют относительно небольшую роль (за исключением нитрифицирующих бактерий).
Автотрофы составляют основную массу всех живых существ и полностью отвечают за образование всего нового органического вещества в любой экосистеме.
Слайд 21Гетеротрофы
Гетеротрофы («питающиеся другими») – организмы, потребляющие готовое органическое вещество других
организмов и продуктов их жизнедеятельности.
Слайд 22Разложение в биосфере – осуществляют ВСЕ организмы
1. Аэробное дыхание
C6H12O6 +
6 O2 6 H2О + 6 CO2
+ энергия
для функционирования организма
2. Анаэробное дыхание – без кислорода
3. Брожение – без кислорода
Слайд 23Трофические цепи
Перенос энергии пищи от ее источника – автотрофов через
ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими, называется трофической
(пищевой) цепью
Слайд 24Трофический уровень
Организмы в экосистемах, получающие свою энергию от Солнца через
одинаковое число ступеней, принадлежат к одному трофическому уровню:
зеленые растения занимают
1-ый трофический уровень (уровень продуцентов),
травоядные – 2-ой (уровень первичных консументов),
первичные хищники, поедающие травоядных – 3-ий (уровень вторичных консументов),
вторичные хищники – 4-ый (уровень третичных консументов).
Слайд 26Свойства трофических цепей
Большая часть энергии (80-90%), полученной организмами трофического уровня,
используется и теряется, переходя в тепло.
Правило 1% : Среднемаксимальная
эффективность фотосинтеза составляет 1%
Правило 10% (правило Линдемана): Средний переход энергии с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой составляет 10% (7-17%)
Слайд 27Свойства
Чем короче пищевая цепь (чем ближе организм к ее началу),
тем больше количество энергии, доступной для популяции.
Какие виды
животных будут вымирать в первую очередь – травоядные или хищники?
Слайд 28Два основных типа пищевых цепей:
Пастбищная цепь начинается с зеленого
растения и идет далее к пасущимся растительноядным животным и к
хищникам
Цепи хищников
Цепи паразитов
Детритная цепь от мертвого органического вещества идет к микроорганизмам, а затем к детритофагам и к их хищникам.
Слайд 30Поток энергии в экосистеме по пастбищной и детритной пищевым цепям
Слайд 31Свойства
Пищевые цепи не изолированы одна от другой, а тесно переплетаются
друг с другом, образуя так называемые пищевые сети.
Слайд 33Схема пищевой сети Северного моря
Количества энергии, переносимой по пастбищной и
детритной пищевым цепям, ккал/м2
Слайд 34Разложение в экосистеме
Редуценты (деструкторы, сапротрофы) – организмы, в основном бактерии
и грибы, в ходе всей жизнедеятельности превращающие органические остатки в
неорганические вещества.
Слайд 36Детритная пищевая цепь
Детритная пищевая цепь, основанная па листьях мангровых деревьев,
падающих в мелководный эстуарий на юге Флориды.
Слайд 37Биоаккумуляция
Биоаккумуляция – накопление организмом химических веществ из окружающей среды и
из пищи в концентрации большей, чем изначальная.
Наилучшие условия для биоаккумуляции
предоставляет водная среда. Организмы-фильтраторы пропускают через себя огромное количество воды, экстрагируя при этом токсиканты.
Растворенные вещества – фитопланктон – рачки – рыбы – хищные птицы – теплокровные животные
Концентрация в хищных птицах и морских млекопитающих может быть в тысячи раз выше, чем в воде.
Слайд 38Накопление ДДТ в пищевой цепи, млн-1
Слайд 39Продуктивность
Первичная продуктивность – скорость, с которой лучистая энергия усваивается организмами-продуцентами
(гл. обр. зелеными растениями) в процессе фотосинтеза, накапливаясь в форме
органических веществ.
Продуктивность измеряется в
Ккал/га*год
Дж/м2*год
Слайд 40Последовательные уровни продуктивности:
1. Валовая первичная продуктивность (ассимиляция) – общая скорость
фотосинтеза, включая те органические вещества, которые за время измерений были
израсходованы на дыхание.
2. Чистая первичная продуктивность – скорость накопления органического вещества в растительных тканях за вычетом того органического вещества, которое использовалось при дыхании растений за изучаемый период.
чтобы оценить валовую продукцию, данные по дыханию складывают с данными, полученными при измерении «наблюдаемого» фотосинтеза.
Слайд 41Последовательные уровни продуктивности:
3. Вторичная продуктивность – скорость накопления энергии на
уровнях консументов. Вторичную продуктивность не делят на «валовую» и «чистую».
4. Чистая продуктивность сообщества – скорость накопления органического вещества, не потребленного гетеротрофами (т. е. чистая первичная продукция минус потребление гетеротрофами) за учетный период (вегетационный период или год).
Слайд 43Трофические пирамиды
Совокупности трофических уровней различных экосистем моделируются с помощью трофических
пирамид
Пирамиды чисел
Пирамиды биомасс
Пирамиды энергий
Слайд 44Пирамида чисел
– отображение числа особей на каждом из трофических уровней
данной экосистемы
Для пастбищных цепей в травяных сообществах имеют широкое
основание и резкое сужение к конечным консументам.
«Ширина ступеней» различается не менее, чем на 1-3 порядка.
В лесных сообществах имеют узкое основание и расширение к консументам: на одном дереве могут кормиться тысячи фитофагов
На одном трофическом уровне могут оказаться такие разные фитофаги, как тля или слон
Слайд 45Р – продуценты,
С1 – первичные консументы,
С2 – вторичные
консументы,
С3 – третичные консументы (верховные хищники),
S – сапротрофы
(бактерии и грибы),
R – редуценты (бактерии, грибы и детритофаги)
Слайд 46Пирамиды биомасс
– отображение биомассы/калорийности на каждом из трофических уровней
данной экосистемы
В наземных экосистемах биомасса растений всегда существенно больше
биомассы животных.
В наземных экосистемах биомасса фитофагов всегда больше биомассы зоофагов.
В водных, особенно морских экосистемах, биомасса животных обычно намного больше биомассы растений, так как пирамиды биомасс не учитывают продолжительность существования поколений особей на разных трофических уровнях и скорость образования и выедания биомассы. Главный продуцент морских экосистем – фитопланктон, имеющий большой репродуктивный потенциал и быструю смену поколений. В океане за год может смениться до 50 поколений фитопланктона.
Слайд 48Пирамиды энергий
– отображение скоростей образования живого вещества, т.е. продуктивности
на каждом из трофических уровней данной экосистемы.
Являются универсальным способом
выражения трофической структуры экосистем пирамиды.
Слайд 50Какова продуктивность основных экосистем Земли?
Слайд 52Площади, биомасса и продуктивность основных биомов Земли
Слайд 54Экологический отпечаток (Human footprint)
National Geographic (50 min)