В каждой экосистеме проходит поток веществ и поток энергии.

     Поток вещества – перемещение вещества в форме химических элементов и их соединений по трофическим уровням (от продуцентов к редуцентам через консументов или без них).

     Поток энергии – переход энергии в виде химических связей органических соединений (пищи) по цепям питания от одного трофического уровня к другому.

     Вещества могут снова и снова входить в круговорот, а энергия может быть использована только один раз. Схема потока вещества и энергии в экосистеме показана на рисунке 8.

 Рис.8. Схема потока вещества и энергии

Односторонний приток энергии как универсальное природное явление происходит в результате действия I и II законов термодинамики.

I закон – энергия может переходить из одной формы в другую, но не исчезает и не создается вновь (световая энергия Солнца переходит в потенциальную энергию пищи (химических связей органических соединений).

II закон – не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии без потерь некоторой ее части (часть рассеивается в виде недоступной организмам тепловой энергии, т. о. она теряется для экосистемы, но не исчезает совсем).

     Солнце – основной (почти единственный) источник энергии на Земле. Только половина солнечного потока, падающего на продуценты, используется дальше, и лишь 1 – 5 % поглощенной энергии запасается в виде энергии пищи. Т. о. большая часть энергии теряется в виде тепла на испарение и другие процессы. Следовательно, для поддержания жизни требуется постоянный приток энергии извне.

     Скорость потока энергии (Е) – количество Е, выраженное в энергетических единицах, перешедших с одного трофического уровня на другой. Пищевая цепь – основной канал переноса Е. По мере удаления от первичных продуцентов скорость потока Е постепенно падает, её количество уменьшается.

     На любой новый трофический уровень поступает энергии лишь 10 % от предыдущего, т. о. всего может существовать 3 – 4 трофических уровня, существование пятого и выше трофических уровней становятся энергетически невыгодными.

     Соотношение численности или биомассы живых организмов, занимающих разное положение в пищевой цепи, называют пирамидами численности или биомассы. Пирамида численности отражает плотность особей на каждом трофическом уровне, пирамида биомассы – их биомассу.

Пирамиды биомассы и численности на рисунке 9.

       Биотические компоненты экосистемы (продуценты, консументы и редуценты) составляют общую биомассу сообщества, которая может быть выражена как через весовые характеристики (килограммы, тонны), так и через энергетические (джоули, калории и т.п.).

     Трофическую структуру экосистем можно изобразить графически в виде экологических пирамид. Основанием пирамиды служит первый трофический уровень – уровень продуцентов, а последующие уровни образуют следующие этажи пирамиды. При этом высота всех блоков-этажей одинакова, а длина пропорциональна определенному показателю на соответствующем уровне.

Рис. 9. Упрощенная схема пирамид биомассы (1) и численности (2) в наземных экосистемах

     Известны три основных типа экологических пирамид:

- пирамида чисел – отражает численность организмов на каждом уровне;

- пирамида биомасс – показывает массу живого вещества;

- пирамида энергии – характеризует изменение энергии (или первичной продукции) на последовательных трофических уровнях.

Пирамиды чисел и биомасс отражают статику системы, то есть характеризуют количество или биомассу организмов в определенный промежуток времени. Они не дают полной информации о трофической структуре экосистемы, хотя также позволяют решать ряд практических задач, особенно связанных с сохранением устойчивости экосистем.

     В наземных экосистемах действует правило пирамиды биомасс: суммарная масса растений превышает массу всех травоядных, а их масса превышает биомассу хищников (рис. 10 а). Для океанических экосистем данное правило не действительно, т.к. пирамида в данном случае имеет инверсный вид (рис. 10 б), что говорит о тенденции накопления биомассы на более высоких уровнях.

     Пирамида энергий является наилучшим графическим изображением трофической структуры экосистемы, поскольку она отражает динамику системы, то есть скорость прохождения энергии через пищевую цепь.      Правило пирамиды энергии (или продукции) гласит: на каждом предыдущем трофическом уровне количество аккумулированной энергии (или биомассы), создаваемой за единицу времени, больше, чем на последующем. Пирамида энергий имеет универсальный характер и имеет сходный вид как в наземных, так и в океанических экосистемах.

Рис.10. Пирамиды биомасс различных экосистем (без соблюдения масштаба)

Таким образом, для обеспечения энергией всех особей сообщества живых организмов экосистемы необходимо определенное количественное соотношение между продуцентами, консументами разных порядков и редуцентами.

     Для описания поведения энергии в экосистемах употребляют термин поток энергии, поскольку в отличие от циклического движения веществ, превращения энергии идут в одном направлении. Энергия, однажды использованная каким-либо организмом, превращается в тепло и утрачивается для экосистемы.

     Для своей жизнедеятельности каждый живой компонент, будь то организм или экосистема, должен получать от окружающей среды на входе постоянный приток дополнительной энергии. Живые замкнутые термодинамические системы невозможны.

     Однако для жизнедеятельности любых организмов, а значит и системы в целом, только энергии недостаточно, они обязательно должны получать различные минеральные компоненты, микроэлементы, органические вещества, необходимые для построения молекул живого вещества. На наземные растения приходится 90% общей биомассы на планете и около 10 % приходится на все водные растения и всех животных (и водных, и сухопутных). Именно такое огромное количество растений (продуцентов) способно обеспечить существование других организмов.