Продуценты

Перемещение энергии между трофическими уровнями

Энергия может передаваться с одного трофического уровня на другой, когда органические молекулы из тела одного организма потребляются другим. Однако перенос энергии между трофическими уровнями обычно неэффективен.

10% энергии, хранящейся в виде биомассы на одном трофическом уровне, например, у первичных продуцентов, хранится в виде биомассы на следующем трофическом уровне, например, у первичных потребителей. Другими словами, чистая продукция часто уменьшается в десять раз между трофическими уровнями.

Например, в водная экосистема в Сильвер-Спрингс, Флорида, для трофических уровней наблюдалась следующая чистая продуктивность (скорость накопления энергии в виде биомассы):

Первичные производители, такие как растения и водоросли: 7,618 калорий на квадратный метр в год.
Первичные потребители, включая слизней и личинок насекомых: 1,103 ккал/м2/год
111 ккал/м2/год для вторичных потребителей, таких как рыба и крупные насекомые.
5 ккал/м2/год для третичных потребителей, таких как огромные рыбы и змеи.

Эффективность передачи варьируется между уровнями и не составляет ровно 10%, хотя несколько расчетов показывают, что она находится где-то рядом. Например, эффективность трансфера между первичными производителями и первичными потребителями можно оценить следующим образом:

Почему передача энергии неэффективна?

Есть множество объяснений. Не все виды на более низком трофическом уровне потребляются организмами на более высоком трофическом уровне. Вторая причина заключается в том, что определенные химические вещества в телах организмов, которые потребляются хищников не перевариваются и теряются с фекалиями хищников. Мертвые организмы и экскременты потребляются редуцентами. Некоторые содержащие энергию молекулы, которые поглощаются хищниками, используются в клеточном дыхании, а не хранятся в виде биомассы.

Характеристика продуцентов

Продуценты включают в собственный состав, как уже говорилось, фототрофы, представленные в основном зелеными растениями, и хемотрофы. Хемотрофы обычно являются бактериями. В составе наземного типа экологических систем продуценты считаются доминантами по таким параметрам:

масса;
численность;
энергетическая роль.

В рамках водного типа экологической системы организмы-продуценты во много раз превосходят иные сообщества по значению и численности. По показателю биомассы в таком случае данные организмы не имеют возможности стать доминантными.

Что вырабатывают продуценты

Итогом всей жизнедеятельности организмов-продуцентов в экологической системе является валовая биологическая продукция. Данное понятие подразумевает общую или суммарную продукцию организмов, экологических систем, групп организмов или биосферы всей в общем, в том числе учитываются затраты источников на дыхательные процессы. Если исключить из показателей расхода энергии на деятельность собственно продуцентов можно получить значение чистой первичной продукции.

Какие существуют объемы биологической массы

Проективное покрытие конкретной территории организмами-продуцентами, а также эффективность процесса фотосинтеза формирует чистую и валовую первичную продукцию экологических систем и биосферы в целом. На формирование биологической массы обычно расходуется менее одного процента солнечного света, попадающего на поверхность конкретного растительного организма. По своей сумме объем первичной валовой продукции должен распределяться таким образом:

на суше находится примерно 220-240 миллиардов тонн сухой массы;
в море находится примерно 100-120 миллиардов тонн сухой массы.

Обычно значения чистой первичной продукции намного меньше, в два раза. Эта разница складывается из-за того, что затраты валовой продукции на жизнедеятельность продуцентов абсолютно другая. На сухопутной территории масса чистой продукции включает примерно 110-120 миллиардов тонн сухого вещества, в море масса чистой продукции составляет примерно 50-60 миллиардов тонн.

Откуда продуценты берут питательные вещества для жизни

Продуценты формируют органические вещества из неорганических. Автотрофы являются первичными создателями продукции для биосферы. Они же и создают экологическую систему. Исходя из того, как накапливаются вещества, организмы можно классифицировать таким образом:

Фотоафтотрофы в итоге рециркуляции солнечной энергии производят питательные вещества из углекислого газа.
Хемоавтотрофы производят процесс окисления разных минеральных соединений с азотом, водородом, железом, серой, аммиаком для того, чтобы получить запас энергии.

Примечание 5

Есть продуценты, которые способны трансформировать химические вещества в органические без использования солнечной энергии. К подобным организмам можно отнести бактерии-хемотрофы.

Виды пищевых цепей

В природе существуют две разновидности пищевого взаимодействия, или пищевых цепей: пастбищная и детритная:

Пастбищная пищевая цепь

Она начинается с растений и тянется дальше к растительноядным животным (фитофагам), а затем и к хищникам. В подобной цепи при каждом переходе к следующему звену теряется до 80-90% потенциальной энергии пищи, так как она переходит в тепло. Пастбищные пищевые цепи делятся на пищевые цепи хищников и пищевые цепи паразитов.

Схема пастбищной пищевой цепи

При продвижении по пищевой цепи хищников, размер каждого последующего его члена больше, чем размер предыдущего, но численность каждых следующих участников пищевой цепи меньше численности ее предыдущих представителей. Примером пищевой цепи хищников может служить следующая последовательность:

Сосна обыкновенная => Тли => Божьи коровки => Пауки =>Насекомоядные птицы => Хищные птицы.

В отличии от пищевой цепи хищников, пищевые цепи паразитов ведут к организмам, которые все более уменьшаются в размерах и увеличиваются численно. В качестве примера можно привести следующую цепь:

Трава => Травоядные млекопитающие => Блохи => Жгутиконосцы.

Детритная пищевая цепь

Детритная пищевая цепь берет свое начало от мертвого органического вещества (т.н. детрита), которое либо потребляется в пищу мелкими, преимущественно беспозвоночными животными, либо разлагается бактериями или грибами. Организмы, потребляющие мертвое органическое вещество, называются детритофагами, разлагающие его — деструкторами. Пастбищная и детритная пищевые цепи обычно существуют в экосистемах совместно, но один из видов пищевых цепей почти всегда доминирует над другим. В некоторых же специфических средах (например в подземной), где из-за отсутствия света невозможна жизнедеятельность зеленых растений, существуют только детритные пищевые цепи. В экосистемах пищевые цепи не изолированы друг от друга, а тесно переплетены. Они составляют так называемые пищевые сети. Это происходит потому, что каждый продуцент имеет не одного, а нескольких консументов, которые, в свою очередь, могут иметь несколько источников питания.

Автотрофы

Автотрофы или продуценты — это организмы, способные строить свои тела за счет неорганических соединений, используя солнечную энергию. К автотрофам относятся растения ( только растения).

Они синтезируют из СО₂, Н₂О (неорганические молекулы) под воздействием солнечной энергии — глюкозу (органические молекулы) и О₂. Они составляют первое звено в пищевой цепи и находятся на 1 трофическом уровне. Для растений пищей являются крахмал и питательные вещества, которые добываются из почвы и солнечного света. Им не нужно заниматься поисками пропитания, достаточно будет просто использовать свои собственные врожденные способности и особенности для получения необходимых питательных веществ, обеспечивающих рост и развитие.

Итак, автотрофы — это растения, которые добывают себе пропитание из дождя, почвы и солнечного света. Важную роль в снабжении клеток питательными и минеральными веществами играет фотосинтез (использование света), а также хемосинтез (химическая энергия). В ходе этих сложных процессов «сырые» питательные вещества и полезные ископаемые преобразовываются в специальные клетки, которые поглощают солнечный свет и трансформируют его в энергию. Автотрофы также именуются производителями.

В природе известны два типа автотрофов:

Фотоавтотрофы. К данному виду относятся живые существа, участвующие в фотосинтезе – растения, преобразующие солнечную энергию в сложные комбинации. То есть они производят питательные вещества, полученные из углекислоты вследствие работы фотосинтеза. По подобному принципу живут и водоросли с цианобактериями.
Хемоавтотрофы. Благодаря химическим взаимодействиям неорганических соединений, происходит поступление органических веществ в организмы экосистемы. Этот процесс носит название “хемосинтез”.

Практически все продуценты — фотоавтотрофы, т. е. зеленые растения, водоросли и некоторые прокариоты, например цианобактерии (раньше их называли сине-зелеными водорослями). Роль хемоавтотрофов в масштабах биосферы пренебрежимо мала. Микроскопические водоросли и цианобактерии, составляющие фитопланктон, являются главными продуцентами водных экосистем. Напротив, на первом трофическом уровне наземных экосистем преобладают крупные растения, например деревья в лесах, травы в саваннах, степях, на полях и т. д.

Что такое продуценты

Экосистема (или же экологическая система) — вид биологической системы, который состоит из совокупности живых организмов (то есть биоценоз), среды обитания организмов (биотоп), системы связей, которая совершает обмен веществами в природе, а также энергией между элементами системы. Экосистема является базовым понятием экологической науки.

Экосистема состоит из абиотических и биотических компонентов. К абиотическим относятся все химические вещества, участвующие в формировании системы, а также условия среды.

Биотические компоненты экосистемы

Все живые элементы экологической системы носят названия биотических. В состав биотических компонентов включаются различные растения, грибы, животные, бактерии. Данные биотические компоненты возможно классифицировать в зависимости от того, какой у них источник потребности в энергии. Все биотические компоненты делятся на три основные совокупности живых организмов:

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут

продуценты;
консументы;
редуценты.

Консументами являются живые организмы, которые включают в себя плотоядных, травоядных, а также всеядных животных. Травоядными называют живые организмы, которые поглощают в пищу растения. Плотоядными можно назвать организмы, которые поглощают в пищу другие организмы (чаще всего других животных). Всеядными можно назвать живые организмы, которые способны поглощать пищу как животного, так и растительного происхождения.

Редуцентами называют живые организмы, которые поглощают в пищу разлагающиеся органические вещества. Редуценты занимаются производством из отходов жизнедеятельности консументов таких веществ, как азот, а также углекислый газ. Огромную роль в переработке всех питательных веществ играют бактерии и грибы. Редуценты перерабатывают из для того, чтобы продуценты смогли использовать эти вещества снова для собственных нужд.

Продуценты — вид живых организмов, которые могут создавать органические вещества из неорганических веществ. Фактически, всех автотрофов можно назвать продуцентами.

Примечание 1

Автотрофы — организмы, которые синтезируют органические соединения из неорганических. К автотрофам относятся растения и некоторые виды бактерий.

В основном продуцентами являются зеленые растения, которые производят органические вещества из неорганических в рамках процесса фотосинтеза). Стоит сказать, что некоторая часть бактерий-хемотрофов может совершить химический синтез органического вещества без помощи солнечного света.

Продуценты можно назвать первым и главенствующим звеном во всей пищевой цепи.

Примечание 2

Фотосинтез — сложнейший химический процесс, при котором происходит трансформация солнечного света в энергию химических связей органических веществ при участии фотосинтетических пигментов (таких как хлорофилл у многих растений, бактериородопсин у архей и т.д.)

Так выглядит схема фотосинтеза:

Таким образом, термин «продуценты» является общим названием для организмов, которые занимаются «продуцированием», то есть формирование органического вещества из ничего, с самого начала. Так изначально существовали исключительно неорганические вещества (к примеру, минеральные соли и вода), продуценты данные неорганические вещества в себя впитали, позже превратив в органические вещества.

Если вдруг с лица планеты Земля исчезнут все продуценты, тогда на планете вымрут все живые организмы: и редуценты, и консументы. С исчезновением продуцентов жизнь планеты фактически остановится.

Поток энергии в экосистеме

Поток энергии в экосистеме — одна из главных вещей, которая делает возможным существование столь многих организмов.
Солнечная энергия является основным источником энергии практически для всего живого на Земле. Забавно узнать, что менее половины эффективного солнечного излучения достигает Земли.
Когда мы говорим об «эффективном излучении», мы имеем в виду тот вид излучения, который растения могут использовать для фотосинтез.

Земная атмосфера обычно отправляет обратно в космос большую часть солнечного излучения, попадающего на планету. Этот полезный свет называется фотосинтетически активной радиацией (ФАР) (ФАР).
В целом мы получаем около 40–50% энергии, поступающей от фотосинтетически активной радиации, но только 2–10% энергии используется растениями для производства пищи посредством фотосинтеза.
Таким образом, этот процент ФАР поддерживает работу всего мира, поскольку растения являются производители в экосистеме, и все другие живые существа так или иначе зависят от них, чтобы выжить.

Поток энергии происходит через пищевую цепь и пищевую сеть. В рамках потока энергии в экосистеме растения используют хлоропласты для поглощения солнечного света, а процесс фотосинтеза превращает часть этой световой энергии в химическую энергию.
Эта энергия запасается в различных органических соединениях растений, и когда травоядные поедают растения, они передают эту энергию первым людям в пищевой цепи.
Затем химическая энергия, запасенная в растительных продуктах, превращается в кинетическую энергию, а энергия теряется при превращении в тепло.

Затем пришли клиенты второго эшелона

Когда этих травоядных поедают хищники первого порядка (вторичные потребители), они будут разбиты еще больше.
И последнее, но не менее важное: когда третичные потребители поедают плотоядных, энергия снова будет потеряна. Таким образом, поток энергии идет только в одном направлении.
Кроме того, закон 10 процентов показывает, как энергия движется по пищевой цепи

Этот закон гласит, что только 10% энергии переходит с одного трофического уровня на другой. Остальная энергия уходит в атмосферу.

Это ясно показано на следующем рисунке, на котором изображена энергетическая пирамида.

Изображение предоставлено: изменено из потока энергии: рисунок 3, OpenStax College, Biology CC BY 4.0.

Продуценты – источник энергии

К продуцентам относятся растения, водоросли и бактерии, которые используют свет для приготовления пищи. Производители автотрофы, а значит, они сами себя кормят. Они используют углекислый газ для создания собственных органических молекул. Как и растения, фотоавтотрофы используют световую энергию для превращения углекислого газа в сахара. Энергия хранится в химических связях между молекулами, которые растение использует в качестве топлива и для собственного строительства.
Другие организмы в экосистеме могут получать энергию, хранящуюся в органических молекулах, когда они поедают растения или организмы, которые уже поедали растения. Таким образом, все организмы, питающиеся другими вещами (называемые гетеротрофы) в экосистеме получают энергию от производителей экосистемы. Травоядные, плотоядные и редуценты являются все типы потребителей.
Если бы растения или другие производители в экосистеме были изъяты, у энергии не было бы возможности попасть в пищевую сеть, и экологическое сообщество распалось бы. Потому что энергия не используется повторно

Вместо этого он теряется в виде тепла при перемещении по экосистеме, поэтому его необходимо постоянно заменять.

Поскольку производители обеспечивают пищу для всех других организмов в экосистеме, важно понимать их количество, биомассу (или сухую массу) и скорость захвата энергии, чтобы понять, как энергия перемещается через экосистему, а также сколько и каких организмов она использует. может поддержать.

Понятие о биомассе и продукции экосистемы

Как вы уже знаете, вещества в экосистеме используются многократно, превращаясь по принципу круговорота. Причем в движении веществ участвуют живые организмы, поэтому круговорот веществ является биогенным. Он начинается с поступления химических элементов из почвы (вода и минеральные соли) и атмосферы (углекислый газ) в живые организмы — продуценты. Продуценты синтезируют органические вещества, часть которых дальше передается по пищевой цепи консументам, а часть остается неиспользованной. Определенное количество органических веществ продуцентов и консументов возвращается в почву с трупным материалом, экскрементами (детрит). В результате деятельности редуцентов они превращаются в минеральные вещества, атомы которых снова вовлекаются продуцентами в круговорот. Но совершенно замкнутым круговорот веществ быть не может. Атомы некоторых химических элементов могут на длительное время выводиться из круговорота, накапливаясь в литосфере в составе известняка (мела), каменного угля, природного газа, нефти, торфа, руд различных металлов.

Превращение энергии в экосистеме идет несколько иначе, чем превращение веществ. Поток солнечной энергии, поступивший в экосистему, как бы разделяется на два русла — пастбищное и детритное. В каждом из них энергия расходуется на поддержание жизнедеятельности организмов. Соотношение количества энергии, проходящей через пастбищные и детритные цепи, в разных типах экосистем разное. Потеря энергии в пищевых цепях может быть восполнена только за счет поступления новых порций солнечной энергии или готового органического вещества (энергия корма). Поэтому в экосистеме не может быть круговорота энергии, аналогичного круговороту веществ. Экосистема функционирует только за счет направленного потока энергии.

Благодаря многократному использованию вещества и постоянному притоку энергии экосистемы способны длительно поддерживать стабильное существование. Населяющие их продуценты, консументы и редуценты при этом обеспечивают возобновление своей биомассы, несмотря на то что запас веществ в биосфере ограничен и не пополняется. Скорость возобновления биомассы организмов экосистемы называется биологической продуктивностью. Она выражается количеством образующейся продукции.

Продукция экосистемы — количество биомассы, образующейся в экосистеме на единице площади или в единице объема биотопа за единицу времени.

Экосистемы сильно различаются по количеству образующейся продукции. Она убывает в следующей последовательности: тропический лес — субтропический лес — лес в зоне умеренного климата — степь — океан — пустыня.

Образующаяся продукция может по-разному расходоваться в разных экосистемах. Если скорость ее потребления отстает от скорости образования, то это ведет к приросту биомассы экосистемы и накоплению избытка детрита. В результате будет наблюдаться образование торфа на болотах, зарастание мелких водоемов, создание запаса подстилки в таежных лесах и т. д. В стабильных экосистемах практически вся образующаяся продукция тратится в сетях питания. В результате биомасса экосистемы остается практически постоянной.

Биомасса экосистемы — общее количество органического вещества всех живых организмов, накопившегося в данной экосистеме за предыдущий период ее существования.

Биомасса экосистемы выражается в единицах сырой массы или массы сухого органического вещества на единицу площади: в г/м2, кг/м2, кг/га, т/км2 (наземные экосистемы) или на единицу объема (водные экосистемы).

Биомасса экосистемы и ее биологическая продуктивность могут сильно отличаться. Например, в густом лесу общая биомасса организмов очень велика по сравнению с ее годовым приростом — продукцией. Тогда как в пруду небольшая накопленная биомасса фитопланктона имеет высокую скорость возобновления — образования продукции за счет быстрого размножения.

Первичная и вторичная продукция

В зависимости от того, какие вещества и энергия используются для возобновления биомассы, в экосистеме различают первичную и вторичную продуктивность. Соответственно, образующаяся при этом продукция называется первичной и вторичной.

Первичная продукция — биомасса, созданная автотрофными организмами (продуцентами) из минеральных веществ в процессе фото- или хемосинтеза. Основное количество возникающих таким путем органических веществ создают зеленые растения. Эффективность превращения поглощаемой ими солнечной энергии в энергию химических связей органических веществ составляет в среднем 1 %. Эта закономерность получила название правила 1 %

Первичная продукция является очень важной характеристикой экосистемы. Именно накопленная в ней энергия позволяет существовать всем гетеротрофным организмам (консументам и редуцентам) и создавать свою продукцию

Вторичная продукция — биомасса, созданная гетеротрофными организмами (консументами и редуцентами) из органического вещества после его частичного расщепления.

Как первичная, так и вторичная продукция на трофических уровнях в пастбищных цепях могут использоваться для разных целей. Вся первичная продукция, созданная продуцентами в результате фотосинтеза, называется валовой первичной продукцией (ВПП). Она является единственным источником энергии для консументов. Та часть продукции предыдущего трофического уровня, которая потребляется организмами последующего трофического уровня, условно называется кормом (К). Часть корма на каждом трофическом уровне затрачивается организмами на поддержание процессов жизнедеятельности — траты на дыхание (ТД). А вторая его часть после частичного расщепления используется на образование биомассы консументов — вторичной продукции (ВтП). Продукция продуцентов, которая может быть съедена консументами I порядка, называется чистой первичной продукцией (ЧПП).

Однако не вся продукция, образовавшаяся на трофическом уровне, переходит на следующий уровень в качестве корма. Часть ее, как правило, остается на трофическом уровне в качестве запаса — неиспользуемая продукция (НП). Совокупность неиспользованной продукции всех трофических уровней экосистемы составляет чистую продукцию сообщества.

Чистая продукция сообщества (ЧПС) — часть продукции экосистемы, которая может быть использована в пределах самой экосистемы для ее развития. Она также может быть изъята человеком без ущерба для экосистемы. В молодых экосистемах, где численность консументов еще невелика, запас чистой продукции сообщества большой. Такие экосистемы можно вовлекать в хозяйственный оборот. По мере усложнения видового состава экосистемы количество чистой продукции сообщества постепенно снижается. На конечной стадии развития экосистемы оно приближается к нулю. Вмешательство в такие равновесные экосистемы чревато нарушением пищевых связей между организмами и может привести к разрушению экосистем.

При распределении первичной и вторичной продукции на трофических уровнях экосистемы соблюдается балансовое равенство. Это значит, что на каждом трофическом уровне сумма всех видов продукции равна количеству продукции, поступившей из предыдущего уровня в качестве корма. При решении задач на балансовое равенство следует учитывать следующие закономерности распределения видов продукции в экосистеме:

валовая первичная продукция (ВПП) = траты на дыхание (ТД_I) + чистая первичная продукция (ЧПП);
чистая первичная продукция (ЧПП) = неиспользуемая продукция (НП_I) + корм (К_II);
корм (К_II) = траты на дыхание (ТД_II) + вторичная продукция (ВтП_II);
вторичная продукция (ВтП_II) = неиспользуемая продукция (НП_II) + корм (К_III) и т.д;
чистая продукция сообщества (ЧПС) = неиспользуемая продукция (НП_I) + неиспользуемая продукция (НП_II) + … + неиспользуемая продукция (НП_n).

Римская цифра в подстрочном индексе обозначает номер трофического уровня в пищевой цепи.

Примеры

Пример

Основой экологической системы являются живые организмы первого трофического уровня. Такая группа представителей мира животных носит название первичных продуцентов. На сухопутной территории продуценты первичные представлены различными растениями на лугах и в лесах. В воде продуценты могут быть в качестве различных зеленых водорослей. Кроме этого, создателями органических веществ могут выступать синезеленые водоросли, а также некоторые виды бактерий. Также продуцентами могут быть различные деревья, папоротники, мхи.

примером фотоавтотрофов являются зеленые растения, цианобактерии, водоросли, гелиобактерии, галобактерии, зеленые и пурпурные несерные бактерии;
примером хемоавтотрофов являются нитрифицирующие бактерии, серобактерии, железобактерии, водородные бактерии, денитрифицирующие бактерии.