Біологічна продуктивність екосистеми

З кожним роком людина все більше і більше виснажує ресурси планети. Не дивно, що останнім часом вельми важливим є оцінка того, як багато ресурсів може дати той чи інший біоценоз. Сьогодні продуктивність екосистеми має вирішальне значення при виборі способу господарювання, так як від кількості продукції, яке може бути отримано, безпосередньо залежить економічна обгрунтованість робіт.

Ось основні питання, які сьогодні стоять перед вченими:

Скільки сонячної енергії є і скільки асимілюється рослинами, як це виміряна?
У яких типів екосистем найвища продуктивність і які дають найбільше первинної продукції?
які фактори обмежують кількість первинної продукції в місцевому масштабі і в усьому світі?
Є, з якої енергія перетворюється рослинами?
Які відмінності між ефективністю асиміляції, чистої продукції і екологічної ефективністю?
Як екосистеми відрізняються за кількістю біомаси або обсягу автотрофніорганізмів?
Скільки енергії доступне людям і скільки ми використовуємо?

Ми постараємося хоча б частково відповісти на них в рамках цієї статті. По-перше, розберемося з основними поняттями. Отже, продуктивністю екосистеми називається процес накопичення органічної речовини в певному обсязі. Які ж організми відповідальні за цю роботу?

Автотрофи і гетеротрофи

Ми знаємо, що деякі організми здатні до синтезуванню органічних молекул з неорганічних попередників. Їх називають автотрофами, що означає "самокормленіе". Власне, продуктивність екосистем залежить саме від їх діяльності. Автотрофи також згадуються як первинні продуценти. Організми, які в змозі виробляти складні органічні молекули з простих неорганічних речовин (вода, CO2), найчастіше відносяться до класу рослин, але тими ж здібностями володіють деякі бактерії. Процес, за допомогою якого вони синтезують органіку, називається фотохімічним синтезом. Як неважко зрозуміти з назви, фотосинтез вимагає наявності сонячного світла.

Ми також повинні згадати шлях, відомий як хемосинтез. Деякі автотрофи, головним чином спеціалізовані бактерії, можуть перетворити неорганічні поживні речовини в органічні сполуки без доступу сонячного світла. Є кілька груп хемосинтезирующих бактерій у морській і прісній воді, причому особливо часто вони зустрічаються в середовищах з підвищеним вмістом сірководню або сірки. Як хлорофіллоноснимі рослини і інші організми, здатні до фотохимическому синтезу, хемосинтетичних організми - автотрофи. Втім, продуктивністю екосистеми називається скоріше діяльність рослинності, так як саме вона відповідає за накопичення більш 90% органічної речовини. Хемосинтез грає в цьому незрівнянно меншу роль.

Між тим, багато організми можуть отримувати необхідну енергію, тільки харчуючись іншими організмами. Їх називають гетеротрофами. В принципі, до них відносяться всі ті ж рослини (вони теж «їдять» готову органіку), тварини, мікроби, гриби і мікроорганізми. Гетеротрофів також називають «споживачами».

роль рослин

Як правило, під словом «продуктивність» в цьому випадку розуміється здатність рослин запасати певну кількість органічної речовини. І в цьому немає нічого дивного, так як тільки рослинні організми можуть перетворювати неорганічні речовини в органічні. Без них саме життя на нашій планеті була б неможлива, а тому і продуктивність екосистеми розглядається з цієї позиції. Загалом, питання ставиться вкрай просто: так яку масу органічної речовини здатні запасти рослини?

Відео: Послідовність процесів, що протікають при заростання скель

Які біоценози є найбільш продуктивними?

Як не дивно, але створені людиною біоценози є далеко не найбільш продуктивними. Джунглі, болота, сельви великих тропічних річок в цьому плані їх далеко випереджають. Крім того, саме ці біоценози знешкоджують величезна кількість токсичних речовин, які, знову-таки, потрапляють в природу в результаті людської діяльності, а також виробляють більше 70% кисню, що міститься в атмосфері нашої планети. До речі, в багатьох підручниках досі стверджується, що найбільш продуктивною «житницею» є океани Землі. Як не дивно, але це твердження дуже далеко від істини.

«Океанічний парадокс»

Знаєте, з чим порівнюється біологічна продуктивність екосистем морів і океанів? З напівпустелями! Великі ж обсяги біомаси пояснюються тим, що саме водні простори займають більшу частину поверхні планети. Так що неодноразово казали використання морів в якості основного джерела поживних речовин для всього людства в найближчі роки навряд чи можливо, тому що економічна обгрунтованість подібного вкрай низька. Втім, низька продуктивність екосистем цього типу ні в якій мірі не применшує важливості океанів для життя всього живого, так що їх потрібно охороняти якомога більш ретельно.

Сучасні екологи кажуть, що можливості сільськогосподарських угідь далеко не вичерпані, і в майбутньому ми зможемо отримувати з них більш рясні врожаї. Особливі надії покладають на рисові поля, які можуть давати безліч цінної органіки за рахунок своїх унікальних характеристик.

Основні відомості про продуктивність біологічних систем

У загальному і цілому продуктивність екосистеми визначається швидкістю фотосинтезу і накопичення органічних речовин в тому чи іншому біоценозі. Та маса органіки, яка створюється за одиницю часу, називається первинною продукцією. Висловити її можна двома способами: або в Джоулях, або ж в сухій масі рослин. Валовий продукцією називається її обсяг, створений рослинними організмами за певну одиницю часу, при постійній швидкості процесу фотосинтезу. Слід пам`ятати, що частина цієї речовини піде на життєдіяльність самих рослин. Частина, що залишилася після цього органіка - чиста первинна продуктивність екосистеми. Саме вона йде на харчування гетеротрофов, до числа яких належимо й ми з вами.

Чи є «верхня межа» первинної продукції?

Якщо говорити коротко, то "да". Давайте коротко розглянемо, наскільки в принципі ефективний процес фотосинтезу. Згадайте, що інтенсивність сонячної радіації, досягає поверхні землі, сильно залежить від місця розташування: максимальна енергетична віддача характерна для екваторіальних зон. Вона зменшується по експоненті в міру наближення до полюсів. Приблизно половина сонячної енергії відбивається льодом, снігом, океанами або пустелями, поглинається газами в атмосфері. Наприклад, шар озону атмосфери абсорбує майже все ультрафіолетове випромінювання! Тільки половина світла, який потрапляє на листя рослин, використовується в реакції фотосинтезу. Так що біологічна продуктивність екосистем - результат перетворення нікчемною частини енергії сонця!

Що таке вторинна продукція?

Відповідно, вторинною продукцією називається приріст консументов (тобто споживачів) за якийсь певний проміжок часу. Звичайно, продуктивність екосистеми від них залежить в набагато меншому ступені, але саме ця біомаса відіграє найважливішу роль в житті людини. Слід врахувати, що вторинну органіку окремо підраховують на кожному трофічному рівні. Таким чином, види продуктивності екосистеми поділяються на два типи: первинний і вторинний.

Співвідношення первинної і вторинної продукції

Як можна здогадатися, співвідношення біомаси і загальної рослинної маси порівняно невелика. Навіть в джунглях і болотах цей показник рідко перевищує позначку в 6,5%. Чим більше трав`янистих рослин в співтоваристві, тим вище швидкість накопичення органіки і тим значніше розбіжність.

Про швидкість і обсяги утворення органічних речовин

Взагалі гранична швидкість синтезу органічних сполук первинного походження повністю залежить від стану фотосинтетичного апарату рослин (ФАР). Максимальне значення ефективності фотосинтезу, яке було досягнуто в лабораторних умовах, становить 12% від величини ФАР. У природних же умовах і значення в 5% вважається гранично високим і практично не зустрічається. Вважається, що на Землі засвоєння сонячного світла не перевищує 0,1%.

Розподіл первинної продукції

Слід зазначити, що продуктивність природної екосистеми - штука вкрай нерівномірна в масштабах всієї планети. Загальна маса всього органічної речовини, яке щорічно утворюється на поверхні Землі, становить близько 150-200 млрд тонн. Пам`ятайте, що ми говорили про продуктивність океанів вище? Так ось, 2/3 цієї речовини утворюються на суші! Тільки уявіть собі: гігантські, неймовірні обсяги гідросфери утворюють в три рази менше органіки, ніж мізерна частина суші, чималу частину якої становлять пустелі!

Відео: Уроки біології: Трофічні ланцюги і харчові піраміди (вип. 16)

Більше 90% накопиченої органіки в тому чи іншому вигляді йде на їжу гетеротрофних організмів. Лише незначна частина сонячної енергії запасається у вигляді грунтового гумусу (а також нафти і вугілля, утворення яких йде навіть сьогодні). На території нашої країни приріст первинної біологічної продукції варіює від 20 ц / га (біля Північного Льодовитого океану) до понад 200 ц / га на Кавказі. У пустельних областях ця величина не перевищує 20 ц / га.

В принципі, на п`яти теплих континентах нашої світу інтенсивність продукування практично не відрізняється, майже: в Південній Америці рослинність накопичує рази в півтора більше сухої речовини, що обумовлено відмінними кліматичними умовами. Там продуктивність природних і штучних екосистем максимальна.

Що забезпечує харчування людей?

Приблизно 1,4 млрд Га займають на поверхні нашої планети плантації культивованих людиною рослин, які забезпечують нас з вами їжею. Це - приблизно 10% від усіх екосистем планети. Як не дивно, але тільки половина одержуваної продукції йде безпосередньо в їжу людям. Все інше використовується як корм для домашніх тварин і йде на потреби промислового виробництва (що не відноситься до випуску продуктів харчування). Вчені вже давно б`ють на сполох: продуктивність і біомаса екосистем нашої планети здатні забезпечити не більше 50% потреб людства в білку. Простіше кажучи, половина населення планети живе в умовах хронічного білкового голодування.

Біоценози-рекордсмени

Як ми вже і говорили, найбільшою продуктивністю характеризуються екваторіальні ліси. Тільки вдумайтеся: на один гектар такого біоценозу може припадати більше 500 тонн сухого речовини! І це далеко не межа. У Бразилії, наприклад, один гектар лісу продукує від 1200 до 1500 тонн (!) Органічної речовини за рік! Вдумайтеся тільки: на квадратний метр припадає до двох центнерів органіки! У тундрі на тій же площі утворюється не більше 12 т, а в лісах середньої смуги - в межах 400 т. Цим активно користуються сільськогосподарські господарства в тих краях: продуктивність штучної екосистеми у вигляді поля цукрової тростини, який може накопичити до 80 тонн сухої речовини на гектар, більше ніде таких врожаїв не зможе дати фізично. Втім, слабо відрізняються від них затоки Оріноко, Міссісіпі, а також деякі області Чаду. Тут за рік екосистеми «видають» до 300 тонн речовини на гектар площі!

підсумки

Таким чином, оцінку продуктивності слід проводити саме з первинного речовини. Справа в тому, що вторинна продукція становить не більше 10% від цього значення, її величина сильно коливається, а тому робити детальний аналіз цього показника просто неможливо.