Вопрос 28. Пищевая цепь. Типы пищевых цепей.
ПИЩЕВАЯ ЦЕПЬ (трофическая цепь, цепь питания), взаимосвязь организмов через отношения пища – потребитель (одни служат пищей для других). При этом происходит трансформация вещества и энергии от продуцентов (первичных производителей) черезконсументов (потребителей) к редуцентам (преобразователям мёртвой органики в неорганические вещества, усваиваемые продуцентами). Различают 2 типа пищевых цепей – пастбищную и детритную. Пастбищная цепь начинается с зелёных растений, идёт к пасущимся растительноядным животным (консументы 1-го порядка) и затем к хищникам, добывающим этих животных (в зависимости от места в цепи – консументы 2-го и последующих порядков). Детритная цепь начинается с детрита (продукт распада органики), идёт к микроорганизмам, которые им питаются, а затем к детритофагам (животные и микроорганизмы, вовлечённые в процесс разложения отмирающей органики).
Примером пастбищной цепи может служить многоканальная её модель в африканской саванне. Первичными продуцентами являются травостой и деревья, консументами 1-го порядка – растительноядные насекомые и травоядные животные (копытные, слоны, носороги и др.), 2-го порядка – хищные насекомые, 3-го – плотоядные пресмыкающиеся (змеи и др.), 4-го – хищные млекопитающие и хищные птицы. В свою очередь детритофаги (жуки-скарабеи, гиены, шакалы, грифы и т. д.) на каждом из этапов пастбищной цепи разрушают туши погибших животных и остатки пищи хищников. Количество особей, включённых в пищевую цепь, в каждом её звене последовательно уменьшается (правило экологической пирамиды), т. е. число жертв всякий раз существенно превышает число их потребителей. Пищевые цепи не изолированы одна от другой, а переплетаются друг с другом, образуя пищевые сети.
Вопрос 29. Для чего используют экологические пирамиды, назовите их.
Экологическая пирамида - графические изображения соотношения между продуцентами и консументами всех уровней (травоядных, хищников; видов, питающихся другими хищниками) в экосистеме.
Схематически изображать эти соотношения предложил американский зоолог Чарльз Элтон в 1927 году.
При схематическом изображении каждый уровень показывают в виде прямоугольника, длина или площадь которого соответствует численным значениям звена пищевой цепи (пирамида Элтона), их массе или энергии. Расположенные в определенной последовательности прямоугольники создают различные по форме пирамиды.
Основанием пирамиды служит первый трофический уровень - уровень продуцентов, последующие этажи пирамиды образованы следующими уровнями пищевой цепи - консументами различных порядков. Высота всех блоков в пирамиде одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне.
Экологические пирамиды различают в зависимости от показателей, на основании которых строится пирамида. При этом для всех пирамид установлено основное правило, согласно которому в любой экосистеме больше растений, чем животных, травоядных, чем плотоядных, насекомых, чем птиц.
На основе правила экологической пирамиды можно определить или рассчитать количественные соотношения разных видов растений и животных в естественных и искусственно создаваемых экологических системах. Например, 1 кг массы морского зверя (тюленя, дельфина) нужно 10 кг съеденной рыбы, а этим 10 кг нужно уже 100 кг их корма - водных беспозвоночных, которым в свою очередь для образования такой массы необходимо съедать 1000 кг водорослей и бактерий. В данном случае экологическая пирамида будет устойчива.
Однако, как известно, из каждого правила бывают исключения, которые будут рассмотрены в каждом типе экологических пирамид.
Первые экологические схемы в виде пирамид построил в двадцатых годах XX в. Чарлз Элтон. Они были основаны на полевых наблюдениях за рядом животных различных размерных классов. Элтон не включил в них первичных продуцентов и не делал никаких различий между детритофа-гами и редуцентами. Однако он отметил, что хищники обычно крупнее своих жертв, и понял, что такое соотношение крайне специфично лишь для определенных размерных классов животных. В сороковые годы американский эколог Реймонд Линдеман применил идею Элтона к трофическим уровням, абстрагировавшись от конкретных составляющих их организмов. Однако, если распределить животных по размерным классам легко, то определить, к какому трофическому уровню они относятся, гораздо сложнее. В любом случае сделать это можно лишь весьма упрощенно и обобщенно. Пищевые отношения и эффективность передачи энергии в биотическом компоненте экосистемы традиционно изображают в виде ступенчатых пирамид. Это дает наглядную основу для сопоставления: 1) разных экосистем; 2) сезонных состояний одной и той же экосистемы; 3) разных фаз изменения экосистемы. Существуют три типа пирамид: 1) пирамиды чисел, основанные на подсчете организмов каждого трофического уровня; 2) пирамиды биомассы, в которых используется суммарная масса (обычно сухая) организмов на каждом трофическом уровне; 3) пирамиды энергии, учитывающие энергоемкость организмов каждого трофического уровня.
Типы экологических пирамид
пирамиды чисел - на каждом уровне откладывается численность отдельных организмов
Пирамида чисел отображает отчетливую закономерность, обнаруженную Элтоном: количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается (рис.3).
Например, чтобы прокормить одного волка, необходимо по крайней мере несколько зайцев, на которых он мог бы охотиться; чтобы прокормить этих зайцев, нужно довольно большое количество разнообразных растений. В данном случае пирамида будет иметь вид треугольника с широким основанием суживающимся кверху.
Однако подобная форма пирамиды чисел характерна не для всех экосистем. Иногда они могут быть обращенными, или перевернутыми. Это касается пищевых цепей леса, когда продуцентами служат деревья, а первичными консументами - насекомые. В этом случае уровень первичных консументов численно богаче уровня продуцентов (на одном дереве кормится большое количество насекомых), поэтому пирамиды чисел наименее информативны и наименее показательны, т.е. численность организмов одного трофического уровня в значительной степени зависит от их размеров.
пирамиды биомасс - характеризует общую сухую или сырую массу организмов на данном трофическом уровне, например, в единицах массы на единицу площади - г/м 2 , кг/га, т/км 2 или на объем - г/м 3 (рис.4)
Обычно в наземных биоценозах общая масса продуцентов больше, чем каждого последующего звена. В свою очередь, общая масса консументов первого порядка больше, нежели консументов второго порядка и т.д.
В данном случае (если организмы не слишком различаются по размерам) пирамида также будет иметь вид треугольника с широким основанием суживающимся кверху. Однако и из этого правила имеются существенные исключения. Например, в морях биомасса растительноядного зоопланктона существенно (иногда в 2-3 раза) больше биомассы фитопланктона, представленного преимущественно одноклеточными водорослями. Это объясняется тем, что водоросли очень быстро выедаются зоопланктоном, но от полного выедания их предохраняет очень высокая скорость деления их клеток.
В целом для наземных биогеоценозов, где продуценты крупные и живут сравнительно долго, характерны относительно устойчивые пирамиды с широким основанием. В водных же экосистемах, где продуценты невелики по размеру и имеют короткие жизненные циклы, пирамида биомасс может быть обращенной, или перевернутой (острием направлена вниз). Так, в озерах и морях масса растений превышает массу потребителей только в период цветения (весной), а в остальное время года может создаться обратное положение.
Пирамиды чисел и биомасс отражают статику системы, т. е. характеризуют количество или биомассу организмов в определенный промежуток времени. Они не дают полной информации о трофической структуре экосистемы, хотя позволяют решать ряд практических задач, особенно связанных с сохранением устойчивости экосистем.
Пирамида чисел позволяет, например, рассчитывать допустимую величину улова рыбы или отстрела животных в охотничий период без последствий для нормального их воспроизведения.
пирамиды энергии - показывает величину потока энергии или продуктивности на последовательных уровнях (рис.5).
В противоположность пирамидам чисел и биомассы, отражающим статику системы (количество организмов в данный момент), пирамида энергии отражая картину скоростей прохождения массы пищи (количества энергии) через каждый трофический уровень пищевой цепи, дает наиболее полное представление о функциональной организации сообществ.
На форму этой пирамиды не влияют изменения размеров и интенсивности метаболизма особей, и если учтены все источники энергии, то пирамида всегда будет иметь типичный вид с широким основанием и суживающейся верхушкой. При построении пирамиды энергии в ее основание часто добавляют прямоугольник, показывающий приток солнечной энергии.
В 1942 г. американский эколог Р. Линдеман сформулировал закон пирамиды энергий (закон 10 процентов), согласно которому с одного трофического уровня через пищевые цепи на другой трофический уровень переходит в среднем около 10% поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды энергии. Остальная часть энергии теряется в виде теплового излучения, на движение и т.д. Организмы в результате процессов обмена теряют в каждом звене пищевой цепи около 90% всей энергии, которая расходуется на поддержание их жизнедеятельности.
Если заяц съел 10 кг растительной массы, то его собственная масса может увеличиться на 1 кг. Лисица или волк, поедая 1 кг зайчатины, увеличивают свою массу уже только на 100 г. У древесных растений эта доля много ниже из-за того, что древесина плохо усваивается организмами. Для трав и морских водорослей эта величина значительно больше, поскольку у них отсутствуют трудноусвояемые ткани. Однако общая закономерность процесса передачи энергии остается: через верхние трофические уровни ее проходит значительно меньше, чем через нижние.
Пищевой, или трофической цепью называют взаимоотношение между различными группами организмов (растениями, грибами, животными и микробами), в котором происходит транспорт энергии в результате употребления в пищу одних особей другими. Перенос энергии - основа нормального функционирования экосистемы. Наверняка эти понятия знакомы вам с 9 класса школы из курса общей биологии.
Особи последующего звена съедают организмы прошлого звена, и так происходит транспорт вещества и энергии по цепочке. Эта последовательность процессов лежит в основе живого круговорота веществ в природе. Стоит сказать, что огромная часть потенциальной энергии (примерно 85%) теряется при переносе от одного звена к другому, она диссипируется, то есть рассеивается в виде тепла. Этот фактор является лимитирующим по отношению к длине пищевых цепей, которые в природе обычно насчитывают 4-5 звеньев.
Виды пищевых взаимоотношений
Внутри экосистем органические вещества производятся автотрофами (продуцентами). Растения, в свою очередь, поедаются растительноядными животными (консументами первого порядка), которых затем съедают хищные животные (консументами второго порядка). Эта цепь питания из 3 звеньев является примером правильной пищевой цепи.
Различают:
Пастбищные цепи
Трофические цепи начинаются с авто- или хемотрофов (продуцентов) и включают гетеротрофов в виде консументов различных порядков. Такие пищевые цепи широко распространены в сухопутных и морских экосистемах. Их можно нарисовать и составить в виде схемы:
Продуценты —> Консументы I порядка —> Консументы I. I. порядка—> Консументы III порядка.
Типичным примером является пищевая цепь луга (это может быть и лесная зона, и пустыня, в этом случае будут отличаться лишь биологические виды различных участников трофической цепи и разветвлённость сети пищевых взаимодействий).
Итак, цветок с помощью энергии Солнца производит для себя питательные вещества, то есть является продуцентом и первым звеном в цепи. Бабочка, которая питается нектаром этого цветка - консумент I порядка и второе звено. Лягушка, также обитающая на лугу и являющаяся насекомоядным животным, съедает бабочку - третье звено в цепи, консумент II порядка. Лягушку проглатывает уж - четвёртое звено и консумент III порядка, ужа съедает ястреб - консумент IV порядка и пятое, как правило, последнее звено в пищевой цепочке. Человек может присутствовать в этой цепи также в роли консумента.
В водах Мирового океана автотрофы, представленные одноклеточными водорослями, могут существовать лишь до тех пор, пока сквозь толщу воды способен проникать солнечный свет. Это глубина 150-200 метров. Гетеротрофы могут жить и в более глубоких слоях, в ночное время поднимаясь к поверхности для подкормки водорослями, а утром вновь уходя на обычную глубину, совершая при этом вертикальные миграции до 1 километра в сутки. В свою очередь, гетеротрофы, являющиеся консументами последующих порядков, обитающие ещё глубже, утром поднимаются до уровня обитания консументов I порядка, чтобы питаться ими.
Таким образом, мы видим, что в глубоких водоёмах, как правило, морях и океанах, существует такое понятие, как «пищевая лестница». Его смысл заключается в том, что органические вещества, которые создаются водорослями в поверхностных слоях земли, переносятся по пищевой цепочке до самого дна. Учитывая этот факт, можно считать обоснованным мнение некоторых экологов о том, что весь водоём можно считать единым биогеоценозом.
Детритные трофические взаимосвязи
Чтобы понять, что такое детритная пищевая цепь, нужно начать с самого понятия «детрит». Детрит - это совокупность остатков отмерших растений, трупов и конечных продуктов обмена животных.
Детритные цепи являются типичными для сообществ внутриконтинентальных вод, дна озер, имеющих большую глубину, и океанов, многие представители которых питаются именно детритом, образованным остатками мёртвых организмов из верхних слоев или случайно попавших в водоем из экологических систем, находящихся на суше, в виде, например, листового опада.
Донные экологические системы океанов и морей, где нет продуцентов ввиду отсутствия солнечного света, и вовсе могут существовать только за счёт детрита, общая масса которого в Мировом океане за календарный год может достигать сотни миллионов тонн.
Также детритные цепи распространены в лесах, где немалая часть ежегодного прироста биомассы продуцентов не может быть употреблена в пищу непосредственно первым звеном консументов. Поэтому она отмирает, образуя опад, который, в свою очередь, разлагается сапротрофами, а затем минерализуется редуцентами. Важную в роль в образовании детрита лесных сообществ играют грибы.
Гетеротрофы, которые питаются непосредственно детритом - это детритофаги. В наземных экологических системах к детритофагам относят некоторые виды членистоногих, в частности насекомых, а также кольчатых червей. Крупных детритофагов среди птиц (грифов, ворон) и млекопитающих (гиен) принято называть падальщиками.
В экологических системах вод основную массу детритофагов составляют водные насекомые и их личинки, а также некоторые представители ракообразных. Детритофаги могут служить пищей для более крупных гетеротрофов, которые также, в свою очередь, в дальнейшем могут стать пищей для консументов высших порядков.
Звенья пищевой цепочки иначе называют трофическими уровнями. По определению это группа организмов, которая занимает конкретное место в пищевой цепочке и представляющая для каждого из последующих уровней источник энергии - пищу.
Организмами I трофического уровня в пастбищных пищевых цепях являются первичные продуценты, автотрофы, то есть растения, и хемотрофы - бактерии, использующие энергию химических реакций для синтеза органических веществ. В детритных же системах автотрофы отсутствуют, а I трофический уровень детритной трофической цепи образует собственно детрит.
Последний, V трофический уровень
представлен организмами, которые потребляют мёртвые органические вещества и конечные продукты распада. Эти организмы называют деструкторами или редуцентами. Редуценты в основном представлены беспозвоночными животными, являющимися некро-, сапро- и копрофагами, использующими в пищу остатки, отходы и мёртвую органику. Также к этой группе относят растения-сапрофаги, которые разлагают листовой опад.
Ещё к уровню деструктуров относят гетеротрофные микроорганизмы, способные превращать органические вещества в неорганические (минеральные), образуя окончательные продукты - двуокись углерода и воду, которые возвращаются в экологическую систему и вновь вступают в природный круговорот веществ.
Значение пищевых взаимосвязей
Круговорот веществ в природе и цепи питания
Все живые организмы являются активными участниками круговорота веществ на планете. Используя кислород, углекислый газ, воду, минеральные соли и другие вещества, живые организмы питаются, дышат, выделяют продукты деятельности, размножаются. После гибели их тела разлагаются на простейшие вещества и вновь возвращаются во внешнюю среду.
Перенос химических элементов из живых организмов в окружающую среду и обратно не прекращается ни на секунду. Так, растения (автотрофные организмы) забирают из внешней среды углекислый газ, воду и минеральные соли. При этом они создают органические вещества и выделяют кислород. Животные (гетеротрофные организмы), наоборот, вдыхают выделенный растениями кислород, а поедая растения, усваивают органические вещества и выделяют углекислый газ и остатки пищи. Грибы и бактерии используют в пищу останки живых организмов и превращают органические вещества в минеральные, которые накапливаются в почве и воде. А минеральные вещества снова усваиваются растениями. Так в природе осуществляется постоянный и бесконечный круговорот веществ и поддерживается непрерывность жизни.
Круговорот веществ и все связанные с ним превращения требуют постоянного притока энергии. Источником такой энергии является Солнце.
На земле растения поглощают углерод из атмосферы путем фотосинтеза. Животные поедают растения, передавая углерод вверх по пищевой цепи, о которой мы расскажем чуть позже. Когда растения и животные умирают, то они передают углерод обратно земле.
На поверхности океана двуокись углерода из атмосферы растворяется в воде. Фитопланктон поглощает ее для фотосинтеза. Животные, поедающие планктон, выдыхают углерод в атмосферу и тем самым передают дальше по цепи питания. После гибели фитопланктона он может перерабатываться в поверхностных водах или оседать на дно океана. За миллионы лет этот процесс превратил ложе океана в богатый резервуар углерода на планете. Холодные течения переносят углерод к поверхности. При нагревании воды он освобождается в виде газа и попадает в атмосферу, продолжая цикл.
Вода постоянно совершает круговорот между морями, атмосферой и сушей. Под лучами солнца она испаряется и поднимается в воздух. Там капельки воды собираются в облака и тучи. Они выпадают на землю дождем, снегом или градом, которые снова превращаются в воду. Вода впитывается в землю, возвращается в моря, реки и озера. И все начинается сначала. Так происходит круговорот воды в природе.
Большую часть воды испаряет Мировой океан. Вода в нем соленая, а та, которая испаряется с его поверхности, - пресная. Таким образом, океан - мировая «фабрика» пресной воды, без которой жизнь на Земле невозможна.
ТРИ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА . Различают три агрегатных состояния вещества - твердое, жидкое и газообразное. Они зависят от температуры и давления. В повседневной жизни мы можем наблюдать во всех трех этих состояниях воду. Влага испаряется и переходит из жидкого состояния в газообразное, то есть водяной пар. Он конденсируется и превращается в жидкость. При минусовых температурах вода замерзает и переходит в твердое состояние - лед.
Круговорот сложных веществ в живой природе включает пищевые цепи. Это линейная замкнутая последовательность, в которой каждое живое существо питается кем-то или чем-то и само служит питанием для другого организма. Внутри пастбищной пищевой цепи органические вещества создаются автотрофными организмами, например растениями. Растения поедаются животными, которых, в свою очередь, съедают другие животные. Грибы-редуценты разлагают органические останки и служат началом детритной трофической цепи.
Каждое звено пищевой цепи называется трофическим уровнем (от греческого слова «трофос» - «питание»).
1.Продуценты, или производители, производят органические вещества из неорганических. К продуцентам относятся растения и некоторые бактерии.
2. Консументы, или потребители, потребляют готовые органические вещества. Консументы 1-го порядка питаются продуцентами. Консументы 2-го порядка питаются консументами 1-го порядка. Консументы 3-го порядка питаются консументами 2-го порядка и т. д.
3. Редуценты, или разрушители, разрушают, то есть минерализуют органические вещества до неорганических. К редуцентам относятся бактерии и грибы.
ДЕТРИТНЫЕ ЦЕПИ ПИТАНИЯ . Существует два основных типа пищевых цепей - пастбищные (цепи выедания) и детритные (цепи разложения). Основу пастбищной пищевой цепи составляют автотрофные организмы, которых поедают животные. А в детритных трофических цепях большая часть растений не потребляется травоядными животными, а отмирает и затем разлагается сапротрофными организмами (например, дождевыми червями) и минерализуется. Таким образом, детритные трофические цепи начинаются от детрита, а затем идут к детритофагам и к их потребителям - хищникам. На суше преобладают именно такие цепи.
ЧТО ТАКОЕ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПИРАМИДА ? Экологическая пирамида - это графическое изображение соотношения различных трофических уровней пищевой цепи. Пищевая цепь не может содержать больше 5-6 звеньев, потому что при переходе на каждое следующее звено 90 % энергии теряется. Основное правило экологической пирамиды основывается на 10 %. Так, например, для образования 1 кг массы дельфину нужно съесть около 10 кг рыбы, а им, в свою очередь, 100 кг корма - водных позвоночных, которым для образования такой массы необходимо съесть 1000 кг водорослей и бактерий. Если в соответствующем масштабе изобразить эти величины в порядке их зависимости, то действительно образуется своеобразная пирамида.
ПИЩЕВЫЕ СЕТИ . Зачастую взаимодействие между живыми организмами в природе более сложно, и визуально это похоже на сеть. Организмы, особенно хищники, могут питаться самыми разными существами, причем из различных пищевых цепей. Таким образом, пищевые цепи переплетаются, образуя пищевые сети.
Природа устроена таким образом, что одни организмы являются источником энергии, а точнее – пищей, для других. Травоядные поедают растения, хищники охотятся на травоядных или других хищников, падальщики питаются останками живых существ. Все эти отношения замыкаются в цепочки, на первом месте которых стоят продуценты, а потом следуют потребители – консументы разных порядков. Большинство цепей ограничивается 3-5 звеньями. Пример пищевой цепи: – заяц – тигр.
На самом деле многие цепи питания устроены гораздо сложнее, они разветвляются, замыкаются, образуют сложные сети, которые называется трофическими.
Большинство цепей питания начинаются с растений – они называются пастбищными. Но есть и другие цепочки: они с разложившихся останков животных и растений, экскрементов и других отходов, а далее следуют микроорганизмы, и другие существа, поедающие такую пищу.
Растения в начале цепи питания
По цепи питания все организмы переносят энергию, которая заключается в пище. Существует два вида питания: автотрофный и гетеротрофный. Первый заключается в получении питательных веществ из неорганического сырья, а гетеротрофы используют для жизни органику.
Четкой границы между двумя типами питания не существует: некоторые организмы могут получать энергию обоими способами.
Логично предположить, что в начале пищевой цепи должны стоять автотрофы, которые преобразуют неорганические вещества в органику и могут являться пищей для других организмов. Гетеротрофы не могут начинать цепи питания, так как им необходимо получать энергию из органических соединений – то есть, им должно предшествовать хотя бы одно звено. Самые распространенные автотрофы – растения, но существуют и другие организмы, которые питаются тем же способом, например, некоторые бактерии или . Поэтому не все цепи питания начинаются с растений, но в основе большинства из них все же лежат растительные организмы: на суше это любые представители высших растений, в морях – водоросли.
В цепи питания перед автотрофными растениями не может быть других звеньев: они получают энергию из почвы, воды, воздуха, света. Но существуют и растения-гетеротрофы, у них нет хлорофилла, они живут за счет или охотятся на животных (в основном на насекомых). Такие организмы могут сочетать два вида питания и стоять как в начале, так и в середине цепи питания.
Пищевые цепи - это многочисленные пересекающиеся друг с другом ветви, образующие трофические уровни. В природе существуют пастбищные и детритные пищевые цепи. Первые по другому называют «цепями выедания», а вторые «цепями разложения».
Трофические цепи в природе
Одним из ключевых понятий, необходимых для понимания жизни природы, является понятие «пищевая (трофическая) цепь». Его можно рассматривать в упрощенном, обобщенном виде: растения ‒ травоядные ‒ хищники, но пищевые цепи гораздо более разветвленные и сложные.
По звеньям пищевой цепи происходит передача энергии и вещества, до 90% которой теряется при переходе с одного уровня на другой. По этой причине в цепи обычно наличествует 3 ‒ 5 звеньев.
Трофические цепи включаются в общий круговорот веществ в природе. Так как реальные связи достаточно разветвлённые, например, многие , в том числе и человек, питаются и растениями, и травоядными, и хищниками, то цепи питания всегда пересекаются между собой, образуя пищевые сети.
Виды пищевых цепей
Условно трофические цепи делят на пастбищные и детритные. И те, и другие в равной степени одновременно функционируют в природе.
Пастбищные трофические цепи ‒ это взаимоотношения различных по способу питания групп организмов, отдельные звенья которых объединены отношениями по типу «поедаемое ‒ поедающий».
Простейший пример пищевой цепи: злаковое растение‒ мышь ‒ лисица; или трава‒ олень ‒ волк.
Детритные пищевые цепи представляют собой взаимодействие мертвых травоядных, хищных животных и мёртвой растительной органики с детритом. Детрит ‒ это для различных групп микроорганизмов и продуктов их деятельности, принимающих участие в разложении останков растений и животных. Это и бактерии (редуценты).
Существует и цепь питания, связывающая редуцентов и хищников: детрит ‒ детритофаг (дождевой червь) ‒ () ‒ хищник ().
Экологическая пирамида
В природе пищевые цепи не стационарны, они сильно ветвятся и пересекаются, образуя так называемые трофические уровни. Например, в системе «злак ‒ травоядное животное», трофический уровень включает множество видов растений, употребляемых этим животным, а на уровне «травоядное» находятся многочисленные виды травоядных животных.
Живые организмы живут на Земле не обособленно, а постоянно взаимодействуют друг с другом, в том числе и имеют отношения охотник-пища. Эти отношения, последовательно заключенные между рядами животных, называются цепями питания или пищевыми цепями. В них может входить неограниченное количество существ различных видов, родов, классов, типов и так далее.
Цепь питания
Большая часть организмов на планете питается органической пищей, в том числе телами других существ или продуктами их жизнедеятельности. Питательные вещества последовательно переходят от одного животного к другому, образуя пищевые цепи. Тот организм, который начинает эту цепь, называется продуцентом. Как подсказывает логика, продуценты не могут питаться органическими веществами – они берут энергию из неорганических материалов, то есть являются автотрофными. Это в основном зеленые растения и различные виды бактерий. Они производят свои тела и питательные вещества для своего функционирования из минеральных солей, газов, излучения. Например, растения получают питание при помощи фотосинтеза на свету.
Следующими в пищевой цепи выступают консументы, которые уже являются гетеротрофными организмами. Консументами первого порядка называют тех, кто питается продуцентами – или бактериями. Большая их часть – . Второй порядок составляют хищники – организмы, которые питаются другими животными. Далее следуют консументы третьего, четвертого, пятого порядка и так далее – пока пищевая цепочка не замкнется.
Пищевые цепи не такие простые, как может показаться на первый взгляд. Важную часть цепочек составляют детритофаги, которые питаются разлагающимися организмами мертвых животных. С одной стороны, они могут есть тела хищников, погибших в охоте или от старости, а с другой, сами часто становятся их добычей. В результате возникают замкнутые цепи питания. Кроме того, цепочки разветвляются, на их уровнях находится не один, а множество видов, которые образуют сложные структуры.
Экологическая пирамида
С понятием пищевой цепи тесно связан такой термин, как экологическая пирамида: это структура, показывающая соотношения между продуцентами и консументами в природе. В 1927 году ученый Чарльз Элтон эффект, названный правилом экологической пирамиды. Он заключается в том, что при передаче питательных веществ от одних организмов к другим, на следующий уровень пирамиды, теряется часть энергии. В результате от подножия к вершине пирамида постепенно : так, на тысячу килограммов растений приходится всего сто килограммов , которые, в свою очередь, становятся пищей для десяти килограммов хищников. Более крупные хищники из них извлекут только один для построения своей биомассы. Это условные цифры, но они хорошо отражают на примере, как действуют пищевые цепи в природе. Они также показывают, что чем длиннее цепь, тем меньше энергии доходит до ее конца.
Видео по теме
Для существования живых организмов необходимы энергия и питательные вещества. Автотрофы трансформируют лучистую энергию Солнца в процессе фотосинтеза, синтезируя из углекислого газа и воды органические вещества.
Гетеротрофы используют эти органические вещества в процессе питания, разлагая их в конечном счете вновь до углекислого газа и воды, а накопленная в них энергия расходуется на различные процессы жизнедеятельности организмов. Таким образом, световая энергия Солнца переходит в химическую энергию органических веществ, а далее в механическую и тепловую.
Все живые организмы в экологической системе по типу питания можно разделить на три функциональные группы - продуценты, консументы, редуценты.
1. Продуценты - это зеленые растения-автотрофы, производящие органические вещества из неорганических и способные аккумулировать солнечную энергию.
2. Консументы - это животные-гетеротрофы, потребляющие готовые органические вещества. Консументы I порядка могут использовать органические вещества растений (травоядные животные). Гетеротрофы, использующие животную пищу, подразделяются на консументы II, III порядков и т. д. (плотоядные животные). Все они используют энергию химических связей, запасенную в органических веществах продуцентами.
3. Редуценты - это гетеротрофные микроорганизмы, грибы, разрушающие и минерализующие органические остатки. Таким образом, редуценты как бы заканчивают круговорот веществ, образуя неорганические вещества для вступления в новый цикл.
Солнце обеспечивает постоянный приток энергии, а живые организмы в конечном счете рассеивают ее в виде тепла. В процессе жизнедеятельности организмов происходит постоянный круговорот энергии и веществ, причем каждый вид использует лишь часть содержащейся в органических веществах энергии. В результате возникают цепи питания - трофические цепи, пищевые цепи, представляющие собой последовательность видов, извлекающих органические вещества и энергию из исходного пищевого вещества, при этом каждое предыдущее звено становится пищей для следующего (рис. 98).
Рис. 98. Общая схема пищевой цепи
В каждом звене большая часть энергии расходуется в виде тепла, теряется, что ограничивает число звеньев в цепи. Но большинство цепей начинается растением, а заканчивается хищником, причем наиболее крупным. Редуценты разрушают органические вещества на каждом уровне и являются конечным звеном в пищевой цепи.
В связи с уменьшением энергии на каждом уровне идет уменьшение и биомассы. Трофическая цепь обычно имеет не более пяти уровней и представляет собой экологическую пирамиду, с широким основанием внизу и сужающуюся кверху (рис. 99).
Рис. 99. Упрощенная схема экологической пирамиды биомассы (1) и пирамиды чисел (2)
Правило экологической пирамиды отражает закономерность, согласно которой в любой экосистеме биомасса каждого следующего звена в 10 раз меньше предыдущего.
Различают три типа экологических пирамид:
Пирамиду, отражающую число особей на каждом уровне пищевой цепи, - пирамида чисел;
Пирамиду биомассы органического вещества, синтезированного на каждом уровне, - пирамида массы (биомассы);
- пирамиду энергии, показывающей величину потока энергии. Обычно цепь питания состоит из 3-4 звеньев:
растение → заяц → волк;
растение → полевка → лисица → орел;
растение → гусеница → синица → ястреб;
растение → суслик → гадюка → орел.
Однако в реальных условиях в экосистемах различные цепи питания перекрещиваются между собой, образуя разветвленные сети. Почти все животные, за исключением редких специализированных видов, используют разнообразные источники пищи. Поэтому при выпадении одного звена в цепи не происходит нарушения в системе. Чем больше видовое разнообразие и богаче пищевые сети, тем устойчивее биоценоз.
В биоценозах различают два типа трофических сетей: пастбищную и детритную.
1. В пастбищном типе пищевой сети поток энергии идет от растений к растительноядным животным, а далее к консументам более высокого порядка. Это сеть выедания. Вне зависимости от величины биоценоза и места обитания растительноядные животные (наземные, водные, почвенные) пасутся, выедают зеленые растения и передают энергию на следующие уровни (рис. 100).
Рис. 100. Пастбищная сеть питания в наземном биоценозе
2. Если поток энергии начинается с мертвых растительных и животных остатков, экскрементов и идет к первичным детритофагам - редуцентам, частично разлагающим органические вещества, то такая трофическая сеть называется детритной, или сетью разложения (рис. 101). К первичным детритофагам относятся микроорганизмы (бактерии, грибы), мелкие животные (черви, личинки насекомых).
Рис. 101. Детритная пищевая цепь
В наземных биогеоценозах присутствуют оба типа трофической цепи. В водных сообществах преобладает цепь выедания. И в том и в другом случае энергия используется полностью.
Трофические цепи составляют основу взаимосвязей в живой природе, но пищевые связи - это не единственный вид взаимоотношений между организмами. Одни виды могут участвовать в распространении, размножении, расселении других видов, создавать соответствующие условия для их существования. Все многочисленные и разнообразные связи между живыми организмами и окружающей средой обеспечивают существование видов в устойчивой, саморегулирующейся экосистеме.
| |
§ 71. Экологические системы
§ 73. Свойства и структура биоценозов