LZ(4)_7_2015 (Д.Г. Замолодчиков «Экология» - 4 курс)

.Лекция 7.Тема 5. Трофическиевзаимодействия и потоки энергии.ЭкологияЗаведующий кафедрой общей экологииДмитрий Геннадьевич Замолодчиковdzamolod@mail.ruТрофические связи возникают при питанииживых организмовТрофические уровни – совокупностьорганизмов со сходным типом питания: продуценты консументы редуцентыПродуценты создают органическое веществоиз неорганических веществФотосинтез6CO2+6H2O = C6H12O6 + 6O2архебактерии, бактерии,растения (водорослии высшие растения)Хемосинтез (пример)6CO2+12H2S = C6H12O6 + 12S + 6H2Oархебактерии и бактерииКонсументы потребляют живое органическоевеществоI порядка: потребляютпродуцентовII порядка: потребляютконсументов, которыеедят продуцентовIII порядка: потребляютконсументов, которыеедят консументовРедуценты – разлагают мертвое органическоевеществоБактерии иархебактерииГрибыМежду консументами и редуцентами границане вполне очевиднаяСапрофаги – животные,поедающие мертвоеорганическое веществодождевой червьБолезнетворныемикроорганизмы –разлагают живоеорганическое веществохолерный вибрионТрофическая цепь – последовательностьтрофических уровнейПастбищнаяДетритнаяковыльбревносусликопеноклисицаслизеньблохаземлеройкаВ наземных экосистемах преобладаютдетритные цепи, в морских - пастбищныеТипичный продуцент на суше - деревоPicea abiesТипичный продуцент вморе – планктоннаяводросльCerataulina pelagicaТрофическая сеть – совокупность трофическихцепей в экосистемековыльлисохвостклеверсусликкобылка(саранчевое)гусеницалисицабогомолжаворонокблохасорокопутсоколТрофические взаимодействия обеспечиваютпоток энергии в экосистемеЭнергия – способность совершить работу.Термодинамика – область физики,рассматривающая превращения энергии.I начало термодинамики (закон сохраненияэнергии): энергия не исчезает и не появляется,а лишь переходит из одной формы в другую.II начало термодинамики (закон увеличенияэнтропии): процессы самопроизвольно идут втом случае, если энергия переходит изконцентрированной формы в более рассеянную.Единицы измерения потоков энергии ивещества в экосистемахЕдиница измерения энергии Джоуль (Дж).При рассмотрении потоков в экосистемах обычноиспользуют МДж/га/год.При оценках продукции экосистем частоиспользуют единицы массы органическоговещества или содержание углерода в немт/га/год, т C/га/год.Пересчет возможен с использованием единицэнергосодержания (калорийности) сухогоорганического вещества: у растений 19 КДж/г, уживотных 23 КДж/г.Массовая доля углерода в сухом веществерастений примерно 50%.Потоки энергии на уровне продуцентовPAR – фотосинтетически активнаярадиацияGPP – валовая первичная продукцияNPP – чистая первичная продукцияRa – дыхание автотрофовKL – эффективность ЛиндеманаGPP = KL PARNPP = GPP - RaKL – эффективность ЛиндеманаОбъектЭкосистема вразгарвегетации, засуткиБиосфера загодKL (GPP/PAR)NPP/PAR2-10%0.4-8%0.4%0.2%Глобальное отношение NPP к GPP равнопримерно 50%Причины широтного изменения NPP/GPPRa, GPP, NPPGPPRaNPPТемператураЗначения потоков выражены в процентах от максимальной GPP.Глобальное распределение наземной NPPПотоки энергии на уровне консументовPc – вторичная продукция консументовС – потреблениеE – экскрецияRc – дыхание консументовPc = C – E – RcAc = C – EPc = Ac - RcЭкологические эффективности на уровнеконсументовAc/C – эффективность ассимиляции (3095%)фитофаги < хищники < паразитыPc/Ac – эффективность роста (10-30%)С/NPP – эффективность использования (1090%)Pc/NPP – эффективность продукции (1-30%)В наземных экосистемах эффективностьпродукции в среднем 10%, в водных 20%.Затраты на дыхание у эндотермов в 10-12 развыше, чем у эктотермов той же массыhttp://coolcosmos.ipac.caltech.edu/image_galleries/ir_zoo/index.html.Зависимость дыхания эндотермныхживотных от температурыЗависимость метаболизма (Rc) от массы тела (W)Rclog(Rc)Rc = a Wbb ≈ 0.75Wlog(W)Аллометрическая зависимость хорошоработает в крупных группах организмов(одноклеточные, эктотермы, эндотермы)Объяснения зависимостиМакс Рубнер (1883) Если длина одного животного большедлины другого в N раз, то поверхностьS, масса M и обмен R будут возрастатьпропорционально:S ~ N2M ~ N3R ~ M2/3Объяснения зависимости: WEBДжеффри Вест, Брайен Энквист, ДжеймсБраун (1999)Принято во внимание, что кислород должендоставляться по распределительной сети(сосуды, трахеи и т.д.)Доля объема этой сети стабильна(подтверждается данными)Тогда у крупного организма сеть болееразрежена, чем у мелкогоЧисленный анализ этой ситуации (физика игеометрия) приводит к коэффициенту ¾.Средства для похудения – действие на разныепотоки энергии∆W ↓ = C ↓ – E ↑ - Rc ↑Диета:уменьшениеколичества пищи,уменьшениеэнергсодержания(калорийности)пищи.Подавлениечувства голода(микрокристаллическая целлюлоза)Физическая нагрузка.Диета: отказ отпищи животногопроисхождения(усвоение 95%) впользурастительной(80%),ограничениетермическойобработки пищи,Баня, сауна(энергозатраты натерморегуляцию).Активизацияметаболизма спомощью препаратов(сжигатели жира)Потоки энергии для редуцентовPr – вторичная продукция редуцентовAr – ассимиляция редуцентовRr – дыхание редуцентовVr – прижизненные выделенияPr = Ar – Rr – VrЭкологические эффективности на уровнередуцентовPr/Ar – эффективность роста (5-20%)Ar/NPP – эффективность использования (1090%)Pr/NPP – эффективность продукции (1-20%)Прижизненные выделения редуцентов –это экскреция ферментов (протеазы,липазы, карбогидразы, нуклеазы)Доля Vr от Ar варьирует от 2 до 10%.Потоки энергии на уровне экосистемыRh – дыхание гетеротрофовER – экосистемное дыханиеNEP – чистая продукция экосистемыRc + Rr = RhRh + Ra = ERNEP = GPP – ER = GPP – Rh – RaNEP = NPP – RhВ равновесной экосистеме NEP = 0Сельскохозяйственные объекты и экосистемы:антропогенная оптимизация NPP, Pc, PrPc↑ = C↑ – E↓ - Rc↓C↑ - увеличение количества кормаE↓ - увеличение усвояемости корма (силос,комбикорма)Rc↓ - снижение энергозатрат на движение итерморегуляцию (содержание в стойлах иклетках, контроль температуры)NPP = GPP↑ - Ra↓Удобрение, полив, обработка почвы, борьбас конкурентами (сорняки) иэксплуататорами (вредители)Антропогенные энергетические субсидии –основа модификации потоков энергии всельскохозяйственных экосистемахУрожайность и энергозатраты сельcкогохозяйства по регионам Земли (данные FAO)СевернаяАмерикаАзияЗападнаяЕвропаВосточнаяЕвропаАфрикакгнэ (килограмм нефтяного эквивалента) = 41 868 кДжЭнергетическая классификация экосистем(Ю.

Одум, 1986, с дополнениями)1.2.3.4.5.Природные, движимые Солнцем.Управляемые, движимые Солнцем,субсидируемые человеком.Природные, движимые Солнцем,субсидируемые природой (дельты и эстуарии)Природные, движимые другими экосистемами(дно океана)Природные, движимые энергией химическихреакций с неорганическими веществамиДельты и эстуарии – энергетическая субсидияза счет кинетической энергии текущей водыЧерные курильщики – экосистемы,существующие без энергии СолнцаВестиментиферы – симбиоз серобактерий ипогонофор (кольчатых червей)Пример грубого рисунка экологическойпирамидыПирамида численностей (ос/га)ЛесK2K1Пр102104102Степь102104106Море102105107Пирамида биомасс (кг/га)ЛесK2K1+РПр10102105СтепьМоре101021031010210Пирамида продукций (ГДж/га/год)ЛесK2K1+РПр10102103СтепьМоре101021031050250Зависимость размера индивидуального участка урастительноядных (А) и хищных (Б) млекопитающихЭкономическое подтверждение «правила 10%».Средние цены (руб за 1 кг продукта) по России(http://tsenomer.ru/russia/)Хлеб33Капуста25Картофель25Мясо343Рыба256.