Обмен веществ и энергии в биосистемах

Обобщенная схема наземной и водной экосистем приведена на рисунке. Самое удивительное, что, несмотря на различия в абиотических условиях и в видовом составе биоты, структура этих экосистем схожа. Биотический компонент всех экосистем лля удобства можно разделить на автотрофов и гетеротрофов. Существование гетеротро-фов полностью зависит от автотрофов. Этот момент очень важен для понимания пищевых цепей и пишевых сетей, а также потоков вещества и энергии в экосистемах. Неживой, или абиотический, компонент экосистем включает почву, воду и климат. Почва и вода представляют собой смесь органических и неорганических веществ. Физические и химические свойства почвы зависят от материнской породы, которая ее подстилает и из которой она частично образуется. Сходным образом качество воды и се соленость зависят от подстилающей ложе реки породы, донных осадков, а также от горных пород и почвы окружающей территории. В понятие климата входят такие параметры, как освещенность, температура, влажность, ветер, атмосферные осадки в виде снега и дождя. Все перечисленные факторы определяют таксономический состав биоты и преобладание в ней тех или иных организмов. Однако главное в экосистемном подходе — изучение функциональных взаимосвязей между организмами и их абиотическим окружением. Эта взаимосвязь обеспечивается потоком энергии и биогеохимическими циклами (круговоротами биогенных элементов).

Поток энергии и биогеохимические циклы в экосистеме Энергию можно определить как способность совершать работу, а организмы представить в виде машин, требующих энергии для своей работы, т. е. жизнедеятельности. Источником энергии дня функционирования практически всех экосистем является — Солнце. Энергия солнечного излучения улавливается фотоавтотрофами в процессе фотосинтеза и преобразуется в химическую энергию, которая запасается в органических молекулах. Запас этих молекул служит источником энергии для всех других организмов экосистемы. Химические элементы, входящие в состав биоты, прямо или косвенно извлекаются ею из абиотической части экосистемы (почвы, воды, воздуха) и возвращаются в нее же при разложении конечных продуктов метаболизма и мертвых остатков. Разложение осуществляют в основном грибы и бактерии, которые в ходе этого процесса получают необходимые им вещества и энергию. Таким образом, в экосистеме происходит непрерывный круговорот биогенных элементов с участием живых организмов. Поскольку в этот круговорот вовлечена и абиотическая среда, говорят о биогеохимических циклах.

Солнечная энергия запускает эти циклы не только посредством фотосинтеза. Она определяет климат, а следовательно, и погоду: температуру воздуха и поверхности земли, скорость и направление ветра, испарение, атмосферные осадки. Эти факторы в свою очередь определяют скорость эрозии и выветривания, т. е. разрушения горных пород до водорастворимых веществ, доступных растениям. Итак, в конечном счете от Солнца зависит и минеральное питание растений. Химические элементы в экосистеме совершают круговорот, т. е. неоднократно используются организмами, а получаемая экосистемой энергия непрерывно утрачивается, превращаясь в непригодную для использования биотой форму, главным образом в тепло. Следовательно, для сохранения равновесия необходимо регулярное поступление энергии извне. В этом заключается принципиальная разница между энергией и биогенными элементами: энергия протекает через экосистему «насквозь», а биогенные элементы совершают внутренние циклы. Это иллюстрирует рисунок.