Поняття про енергетику екосистем. Трофічні ланцюги і мережі показують схему руху органічної речовини в екосистемі. Але разом з речовиною по ланцюгах харчування йде спрямований потік енергії. Джерелом вихідної енергії є Сонце, енергія якого необхідна організмам для забезпечення життєдіяльності. Будь-яка кількість органічної речовини містить деяку кількість біохімічної енергії, яка витягується шляхом руйнування хімічних зв'язків в речовині при використанні його в якості їжі, для чого також необхідна певна кількість енергії. Розгляд процесів в екосистемах в енергетичному аспекті дозволяє більш повно вивчити процеси функціонування природних і соціоприродних екосистем. У зв'язку з цим комплексний науковий напрямок в екології, розглядає енергетичні процеси в екосистемах, називають енергетикою екосистем.
Відомо, що 1 грам сухої речовини рослини містить (умовно) 18,7 кДж біохімічної енергії. Гетеротрофи, отримуючи енергію у вигляді органічної речовини їжі від продуцентів, використовують її на:
- побудова свого власного органічної речовини (білки, жири, вуглеводи);
- розщеплення органічної речовини їжі;
- дихання, тепловіддачу, руху з пошуку їжі і порятунку від ворогів і ін.
Продуктивність екосистеми. Енергетичний потік безпосередньо прив'язаний до потоку органічної речовини - від його створення через трансформацію до розкладання. Ефективність дії екосистеми оцінюють величиною продуктивності. Продуктивність екосистеми - швидкість накопичення енергії в екосистемі у вигляді утвореного органічної речовини, що оцінюється величиною сухої біомаси (т, кг.) Або енергії (кДж, ккал), вироблених в одиницю часу (зазвичай за рік) і на одиницю площі (для наземних і донних біоценозів) або обсягу (для водних і ґрунтових біоценозів).
Продукція екосистеми - це кількість утвореного органічної речовини (біомаси) в ній. Розрізняють продукцію основну, або первинну, вироблену продуцентами, і вторинну продукцію, яку виробляють консументи. Конкретні вимірювання показують, що для отримання 1 кг яловичини (вторинна продукція) треба затратити близько 80-90 кг свіжої трави, біомаса листя дубового лісу (первинна продукція) становить приблизно 4-6 тонн з одного гектара лісових угідь, а деревини дуба - близько 300 -500 тонн з одного га. Оцінки екологів показують, що продукція біосфери Землі становить 83 млрд. Тонн на рік сухої біомаси, з якої на частку суші і океану припадає відповідно 53 і 30 млрд. Близько половини продукції суші дають лісу при їх загальної площі, що не перевищує 10% території суші. Цікаво, що культивовані сільськогосподарські землі (агроекосистеми), площа яких лише 1% від території суші, дають 5% від всієї річної продукції біосфери.
Принцип Линдемана. У 1942 р на основі узагальнення великого емпіричного матеріалу американський еколог Ліндеман сформулював принцип перетворення біохімічної енергії в екосистемах, що отримав в екологічній літературі назву закону 10% .Прінціп Линдемана (або закон 10%): при переході з трофічного рівня екологічної піраміди на кожний наступний рівень в трофічної ланцюга передається в середньому близько 10% енергії без будь-яких несприятливих наслідків для екосистеми. Тут мається на увазі частина енергії, що надходить з їжею, яка використовується організмом для побудови органічної речовини свого власного тіла.
Екологічні піраміди. Для наочного уявлення про величину коефіцієнта передачі енергії з рівня на рівень у ланцюгах харчування екосистем використовують екологічні піраміди декількох видів. Екологічна піраміда - це графічне (або ДІАГРАМНИХ) уявлення співвідношення між обсягами органічної речовини або енергії на сусідніх рівнях в трофічного ланцюга. Найбільшого поширення набули такі види екологічних пірамід:
- піраміди чисел Елтона;
Піраміди чисел Елтона представляються у вигляді середнього числа особин, необхідних для харчування організмів, що знаходяться на наступних трофічних рівнях. Наприклад, для представлення трофічного ланцюга:
ЛИСТ ДУБА - ГУСЕНИЦА - СИНИЦЯ
піраміда чисел для однієї синиці (третій рівень) зображує число гусениць (другий рівень), яких вона поїдає за певний час, наприклад, за один світловий день. На першому рівні піраміди зображується стільки листя дуба, скільки потрібно для корму тієї кількості гусениць, які показані на другому рівні піраміди.
Піраміди біомас і енергії виражають співвідношення кількості біомаси або енергії на кожному трофічному рівні. Піраміда біомас заснована на відображенні результатів зважування сухої маси органічної речовини на кожному рівні, а піраміда енергії - на розрахунках біохімічної енергії, переданої з нижчого на вищерозміщений рівень. Ці рівні на графіку піраміди біомас (або енергії) зображують у вигляді прямокутників рівної висоти, ширина яких пропорційна величині біомаси, переданої на кожний наступний (вищерозміщений) рівень досліджуваної трофічного ланцюга. Кожен може спробувати побудувати піраміду біомас за даними, запозиченим з відомої книги Ф. Рамада «Прикладна екологія» та відповідних положень деякої 4-рівневої трофічного ланцюга:
ТРАВА (809) - травоїдні (37) - м'ясоїдні-1 (11) - м'ясоїдні-2 (1,5),
де в круглих дужках вказані величини сухої біомаси (г / кв. м).
Зауважимо, що екологічні піраміди є наочною ілюстрацією принципу Линдемана і з їх допомогою відбивається істотна особливість енергетичних процесів в екосистемах, а саме: через порівняно малої частки енергії (в середньому приблизно десята частина), що передається на наступний рівень, дуже мало енергії залишається в екосистемі, а решта повертається в геосферу. Так, при 4-рівневої трофічного ланцюга тільки десятитисячна частка біохімічної енергії залишається в екосистемі. Мізерно мала частка енергії, що залишається в екосистемі, пояснює, чому в реальних природних екосистемах трофічні ланцюги мають не більше 5-6 рівнів.