Екологія: біологія взаємодії. III-12. Екологічні ефективності

Д. Шабанов, М. Кравченко Екологія: біологія взаємодії
БІОСИСТЕМИ. БІОСФЕРА I розділ. Екологія та біосистеми, які вона вивчає II розділ. Біосферологія ЕКОСИСТЕМИ. ПОПУЛЯЦІЇ II розділ. Біогеоценологія та біоценологія IV розділ. Популяційна екологія ОРГАНІЗМИ У ДОВКІЛЛІ V розділ. Аутекологія та основи середовищезнавства ЛЮДСТВО ТА ЙОГО ДОЛЯ VI розділ. Екологія людини та збереження біосфери Додатки: Програма. Питання. Література. Персоналії. Глосарій.
← III-11. Трофічні зв'язки та рівні	III-12. Екологічні ефективності	III-13. Екологічні піраміди →

III-12. Екологічні ефективності

Чудовою схемою, що дозволяє описувати потік енергії через трофічний рівень, є «квадрат Одума» (рис. 3.12.1). Юджин Одум запропонував наочну схему, яка показує потік енергії, що тече через окремий організм, популяцію або трофічний рівень. На цій схемі видно, на які «рукави» розтікається потік енергії, протікаючи через біосистеми.

Рис. 3.12.1. Розподіл потоків енергії, що течуть через організм, популяцію або трофічний рівень

Наприклад, з цієї схеми легко зрозуміти, чим відрізняються дві основні міри продукції: валова (A) і чиста (P): витратами на дихання. «Квадрат Одума» дозволяє легко переконатися, що A=R+P; P=G+S+E тощо

Можна виділити такі міри ефективності споживання і переробки енергії:

ефективність експлуатації E₁=I_{експлуататора}/P_жертви;

ефективність асиміляції E₂=A/I;

ефективність чистої продукції E₃=P/A;

ефективність загальної продукції E₄=P/I=E₂×E₃;

екологічна ефективність E₅=P_{експлуататора}/P_жертви=E₁×E₂×E₃.

Потоки енергії, показані на схемі, співвідносяться у різних організмів по-різному. Образно кажучи, чим простіші завдання у перетворенні енергії виконують організми, тим менші втрати вони несуть. Так, м'ясоїдні тварини вирішують порівняно нескладне завдання: вони отримують енергію з високоякісної їжі, яку відносно «неважко» переробити та побудувати з неї власне тіло. А найскладнішим є завдання, яке вирішують фотосинтетичні організми, які використовують як джерело енергії світло.

Наприклад, значна частина світла, що падає на рослини, відбивається від них або поглинається ґрунтом. Велика частина поглиненої рослинами енергії так і залишається невикористаною. У сприятливих умовах рослини здатні асимілювати (спожити) близько 1% від падаючої сонячної енергії, в чисту продукцію переходить всього близько 0,5% (тобто A = 1%, P = 0,5%). В середньому для біосфери ці показники ще гірші: споживається рослинами близько 0,2% сонячної енергії, а в чисту продукцію переходить всього близько 0,1% (A = 0,2%, P = 0,1%). Втім, і ці кількості енергії в абсолютному вимірі є дуже великими за людськими масштабами.

Ефективність харчування тварин істотно залежить від характеру їх їжі. Ефективність асиміляції (відношення A до I) у м'ясоїдних тварин змінюється від 60% (у комахоїдних) до 90 % (у власне м'ясо- і рибоядних). У рослиноїдних тварин ефективність асиміляції становить 80% у насіннєїдних; 60% — у тих, що поїдають молоде листя; 30-40% - у тих, що харчуються старим листям; 10–20% і навіть менше — у пожирачів деревини.

Подальші втрати енергії дуже залежать від інтенсивності обміну речовин. Наприклад, дрібні птахи витрачають з диханням більш як 99% асимільованої енергії, і в чисту продукцію у них переходить менше ніж 1% тієї енергії, яку вони змогли спожити! У дрібних ссавців цей показник становить 6%, у домашнього рогатої худоби — 11%, у свиней — 20%, а у деяких пойкілотермних тварин, особливо великих риб і рептилій, досягає 75%!

Порівняйте: синиця, склювавши 1 кг комах, додасть у вазі менше ніж 6 г, а удав, який з'їв кілограмову морську свинку, додасть більше ніж 660 г власної ваги! Для того, щоб провести ці обчислення, ми прирівняли кількість енергії, що припадає на одиницю ваги комах, синиць, морських свинок та удавів (це припустиме наближення). В обох випадках нам треба було оцінити, які втрати пов'язані з асиміляцією і чистою продукцією. У першому випадку ми використовували наведене вище значення ефективності асиміляції, характерне для комахоїдних тварин, а також значення ефективності чистої продукції для дрібних птахів (1000 × 0,6 × 0,01 = 6), а у другому — відповідні показники для м'ясоїдів і великих рептилій (1000 × 0,9 × 0,75 = 675). До всього іншого, така ціна гомойотермності...

При просуванні енергії по трофічних ланцюгах зменшується її кількість і підвищується її якість (робочий потенціал). Показник якості — кількість одиниць сонячної енергії, яка має бути розсіяною, щоб отримати одиницю енергії у новій формі, доступній для передачі на вищі трофічні рівні (табл. 3.12.1). Говард Одум (брат Юджина Одума, автора класичних підручників з екології) запропонував для позначення якості енергії використовувати міру, яку він назвав емергіей. Емергія — універсальна міра необхідних природних ресурсів, міра сонячної енергії, витраченої для отримання того чи іншого продукту.

Таблица 3.12.1. Зміни кількості та якості енергії в ході її перетворення

	Сонце	Рослини	Консументи I	Консументи II
Кількість енергії	1000000	10000	1000	100
Якість енергії (емергія)	1	100	1000	10000

	Сонце	Деревина	Вугілля	Електрика
Кількість енергії	1000000	1000	500	125
Якість енергії (емергія)	1	1000	2000	8000

Ще один наслідок передачі речовини та енергії з рівня на рівень — біологічне накопичення, підвищення концентрації багатьох речовин, які вибірково утримуються біомасою.

Мірою концентрації в трофічному ланцюзі (мірою біологічного накопичення) є коефіцієнт накопичення (вміст речовини у тканинах / вміст речовини у середовищі). Коефіцієнт накопичення радіоактивного Фосфору у гусячих тканинах — 2 000 000. Біогени та їх замінники накопичуються через вибіркове виділення із середовища (радіоактивний Йод після Чорнобиля, Стронцій замість Кальцію, Цезій замість Калію). Ксенобіотики накопичуються через відсутність механізмів виведення (хлороформ у мембранах, ДДТ і продукти його розпаду у жировому тілі). Іноді накопичення починається ще на абіогенному рівні (ДДТ, іони важких металів вибірково накопичуються на частинках детриту). Фільтратори суспензії детриту є найпотужнішими накопичувачами токсинів.

Екосистеми