§ 7. Движение вещества и энергии в экосистеме. Цепи и сети питания Общая биология: Учебное пособие для 11-го класса
§ 7. Движение вещества и энергии в экосистеме. Цепи и сети питания
Движение вещества и энергии в экосистеме — основное условие поддержания жизнедеятельности организмов, ее устойчивости. В экосистеме постоянно происходит перенос вещества и энергии, которые заключены в пище. Первоначальная пища создается зелеными растениями. Основным источником энергии для зеленых растений является солнечное излучение. Поглощая энергию Солнца, фотосинтезирующие организмы (зеленые растения, цианобактерии, некоторые протисты и бактерии) преобразуют ее в процессе фотосинтеза (с использованием углекислого газа, воды и растворенных в ней неорганических соединений) в химическую энергию органических веществ.
Эти вещества служат источником энергии не только для самих зеленых растений, но и для других организмов, составляющих экосистему. Обратный процесс высвобождения энергии, заключенный в органических веществах, происходит в процессе дыхания. Продукты дыхания — углекислый газ и вода — могут вновь использоваться зелеными растениями. Таким образом, вещества в экосистеме включаются в бесконечный круговорот. В отличие от них энергия, заключенная в пище, не совершает круговорота, а постепенно превращается в тепловую энергию, которая уходит за пределы экосистемы. Поэтому постоянный приток энергии извне является необходимым условием длительного существования экосистемы.
Основу любой экосистемы составляют фотосинтезирующие организмы — автотрофы (от греч. autos — сам и trophe — кормиться, питаться). Авто-трофы являются организмами-продуцентами (производителями). Они обеспечивают органическими веществами и энергией все живое население экосистемы. Зеленые растения дают начало всем пищевым связям в экосистеме. Они не только существуют сами за счет синтезированных органических веществ, но и кормят все остальные живые организмы.
Кроме продуцентов в экосистему входят организмы, которые используют для питания готовые органические вещества, произведенные другими видами. Это — гетеротрофы (от греч. heteros — другой), или консументы (потребители). К ним относятся все животные, которые извлекают необходимую энергию из готовой пищи, поедая растения или других животных. Первичными консументами являются растительноядные животные, питающиеся травой, семенами, плодами, подземными частями растений;вторичными консументами — плотоядные животные.
К консументам можно отнести и группу бесхлорофильных растений (растения-паразиты), которые, присасываясь к корням своих собратьев, в буквальном смысле тянут из них соки. В наших лесах такими являются Петров крест, полевая заразиха, повилика.
Особую группу организмов составляют редуценты (от лат. reducens , reducentis — возвращающий, восстанавливающий), разрушающие мертвое органическое вещество до неорганических соединений, которые затем используются другими организмами (продуцентами).
Основными редуцентами являются бактерии, грибы, простейшие. Если снижается их активность (например, при использовании человеком сильнодействующих пестицидов), то ухудшаются условия для жизнедеятельности и продуцентов, и консументов. За счет разложения и минерализации мертвых органических остатков высвобождаются химические элементы, которые в дальнейшем вновь вовлекаются в круговорот веществ, улучшают условия питания растений и тем самым увеличивают объем создаваемой биологической продукции. Так восстанавливается неорганическая материя.
Во время роста организмы-продуценты (зеленые растения) за счет фотосинтеза образуют первичную продукцию (органическую массу), которая выражается либо в единицах энергии (джоуль на 1 м 2 за сутки), либо в единицах сухого органического вещества (килограмм на 1 га за сутки). Консументы (гетеротрофы) образуют вторичную продукцию.
Таким образом, осуществляя пищевые взаимодействия, организмы экосистемы выполняют три функции:
энергетическую, которая выражается в запасании энергии в форме химических связей первичного органического вещества (ее выполняют орга низмы-продуценты);
перераспределения и переноса энергии пищи (ее выполняют консу менты);
3) разложения редуцентами органического вещества до простых минераль ных соединений, которые снова используются организмами-продуцентами.
Цепи и сети питания. В развитых, сложившихся экосистемах существуют сложные пищевые взаимодействия между автотрофами и гетеротрофами. Одни организмы поедают другие, и таким образом осуществляется цепной процесс переноса вещества и энергии в экосистемах, лежащий в основе круговорота веществ в природе. Перенос вещества и энергии от автотрофов к потребителям-гетеротрофам, происходящий в результате поедания одними организмами других, называется пищевой цепью.
Простейшая пищевая цепь в водной среде может начинаться фитопланктоном, продолжаться более крупными планктонными ракообразными, которые им питаются, и заканчиваться китом, который фильтрует этих ракообразных из воды.
Всем известна народная примета: «Если ласточки летают низко над землей — это к дождю». Как ни удивительно, но эту примету можно объяснить, исходя из закона пищевой цепи. Комары — любимое лакомство ласточек — нуждаются в определенном атмосферном давлении. Перед дождем атмосферное давление падает, поэтому комары вынуждены менять свой «воздушный коридор». А вслед за комарами снижаются и ласточки.
Как-то крестьяне обратились к великому Чарльзу Дарвину с просьбой, чтобы он подсказал им, как увеличить урожаи семян клевера, которые стали катастрофически падать. «Заведите кошек», — ответил ученый. Крестьяне подумали, что он шутит. Но Дарвин знал то, чего не знали крестьяне. Клевер опылялся шмелями, гнезда которых стали разорять расплодившиеся мыши. Вот вам и еще один пример пищевой цепи: клевер —> шмели —> мыши —> кошки.
Пищевая цепь в экосистеме начинается с зеленого растения и через ряд промежуточных организмов-консументов заканчивается звеном, которое представлено хищными животными.
В экосистемах обычно существует ряд параллельных пищевых цепей, например, травянистая растительность —> грызуны —> мелкие хищники; травянистая растительность —» копытные —> крупные хищники. Параллельные пищевые цепи нередко объединяют обитателей разных ярусов (почвы, травянистого покрова, древесного яруса), но и между ними могут существовать связи.
Пищевые цепи в чистом виде в природе встречаются довольно редко. В большинстве случаев один и тот же организм может стать жертвой разных хищников. Например, дафнию может съесть не только мелкая рыба, но и хищный рачок циклоп, а плотву — не только щука, но и выдра. Как видно, одни и те же виды могут служить источником пищи для многих организмов и тем самым являться составной частью различных пищевых цепей. В результате в экосистеме формируются пищевые сети — сложный тип взаимоотношений, включающий разные цепи питания (рис. 2.6, 2.7). Сложность пищевых цепей многократно возрастает, если принять во внимание, что у членов цепей питания — организмов-хозяев — имеются многочисленные специфические паразиты, которые в свою очередь являются звеньями других цепей. Например, обыкновенная белка является хозяином 50 видов паразитов.
Пастбищные и детритные пищевые цепи. Пищевые цепи, которые начинаются с автотрофных фотосинтезирующих организмов, называются пастбищными, или цепями выедания (рис. 2.8). Примером может служить пастбищная пищевая цепь луга. Начинается такая цепь с улавливания солнечной энергии растением. Бабочка, питающаяся нектаром цветка, представляет собой второе звено в этой цепи. Стрекоза — хищное летающее насекомое — нападает на бабочку. Спрятавшаяся среди зеленой травы лягушка ловит стрекозу, но сама служит добычей для такого хищника, как уж. Целый день уж мог бы переваривать лягушку, но еще не успело зайти солнце, как сам стал добычей другого хищника — змеяда.
Пищевая цепь, идущая от растения через бабочку, стрекозу, лягушку, ужа к ястребу, указывает путь направления движения органических веществ, а также содержащейся в них энергии.
Если пищевая цепь начинается с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных, т.е. с детрита, она называется детритной, или цепью разложения (рис. 2.8). Такие цепи наиболее характерны для сообществ дна глубоких озер, океанов, где многие организмы питаются детритом, образованным отмершими организмами верхних освещенных слоев водоема. Распространены детритные цепи также и в лесах, где большая часть ежегодного прироста живой массы растений не потребляется непосредственно ноядными животными, а отмирает, образуя опад, и разлагается затем сап-ротрофными организмами с последующей минерализацией редуцентами. Типичным примером детритной пищевой цепи наших лесов является следующая: листовая подстилка—шногоножки—>черный дрозд-»ястреб-перепелятник. Таким образом, энергия, входящая в экосистему, разбивается на два основных русла, поступая к консументам через живые ткани растений или запасы мертвого органического вещества.
В экосистемах’происходит взаимодействие продуцентов, консумен-тов и редуцентов, результатом которого является передвижение вещества и энергии по пищевым цепям и сетям. Различают пастбищные и детритные цепи питания.
Пищевая цепь – определение, значение и звенья
Пищевая цепь – это взаимоотношение между различными группами организмов (животных, грибов, растений и прочих), во время которых происходит поедание одной особи другой с целью получения питательных веществ, а также энергии. Это явление называется цепью, поскольку есть точный ряд тех, кто ест, и тех, кого съедят.
Все организмы делятся на звенья в цепи, и каждый принадлежащий к одному из звеньев может быть съеден представителем последующего звена. Количество звеньев в основном не превышает 4-5, но в некоторых ситуациях их может быть куда больше. Основной причиной, из-за которой звеньев не может быть больше, является ограниченность, о которой будет рассказано ниже.
Значение пищевой цепи
Основным значением пищевой цепи является сохранение стабильного состояния живых организмов, ведь если бы не существовала подобная иерархия, то какие-то определённые хищники имели бы возможность уничтожать всех, лишая более слабых возможности питаться и развиваться. Пищевая цепь является неким регулятором всей энергии в биосфере, ведь даже растения, которые считаются пищей для травоядных животных, являются лишь частью цепи. В случае отсутствия таких взаимоотношений между живыми организмами, биосфера ещё миллионы лет назад стала бы безжизненной. Именно поэтому пищевая цепь должна существовать и мешать ей ни в коем случае нельзя, ведь при уничтожении одного звена, другие начинают погибать вслед за ним, создавая цепную реакцию.
Автотрофы (продуценты)
Автотрофы – это те живые организмы, которые не занимаются поеданием других, ведь они имеют способность к производству собственной пищи. В основном они создают себе еду при помощи простых молекул, например, углекислого газа или углерода. Они также делятся на два основных типа:
- Хемоавтотрофы, которые питаются благодаря химическим реакциям. Процесс их питания называется хемосинтезом и заключается в задействовании неорганических соединений.
- Фотоавтотрофы (их также называют фотосинтезирующими организмами), к ним относятся растения, которые перерабатывают солнечный свет посредством фотосинтеза, чтобы производить питательные вещества и не уничтожать других живых организмов. Из других примеров можно привести цианобактерии и водоросли.
Если углубляться в экологию и биологию, то можно сделать очень простой вывод: именно автотрофы являются основной для всех экосистем на Земле. Большинство пищевых цепей начинается с них, поскольку они способны выживать без поедания других организмов, а значит более первичных звеньев быть попросту не может. Их называют производителями или продуцентами.
Гетеротрофы (консументы)
Гетеротрофы, которые в экологическом сообществе называются потребителями, не способны производить питательные вещества из солнечной или химической энергии. Из-за этого им приходится поедать других существ или продукты, производимые ими. Люди относятся как раз-таки к этой категории, как и животные, грибы, а также большинство других бактерий. Ролью гетеротрофов считается потребление других организмов. Видов существует множество, поэтому выделить какие-то основные попросту невозможно, ведь варьируются они в зависимости от разных экологических ролей.
Гетеротрофы могут быть растительноядными (насекомые, некоторые животные, такие как коровы или лошади), плотоядными (большинство хищников), и всеядными (медведи, обезьяны и большая часть птиц). Человек относится ко всеядным, поскольку в своём рационе употребляет как животный, так и растительный белок.
Деструкторы (редуценты)
Данная группа также считается потребителями, но в ней есть весомые отличия от гетеротрофов, поэтому полноценными потребителями они не являются, будет лучше сказать, что они промежуточная стадия между автотрофами и гетеротрофами. Они перерабатывают мертвых существ, разлагая их на неорганические соединения, а после употребляют из них всё, что может пригодиться организму. К этой группе в основном относятся грибы и некоторые виды бактерий, а их роль ничуть не меньше, чем у консументов и продуцентов. Многие исследователи даже думают, что их ценность в пищевой цепи куда выше, чем у последних, поскольку они не уничтожают популяции, не мешают развитию других организмов, а убирают остатки, мешающие прорастанию здоровых растений, например.
Именно благодаря редуцентам пищевая цепь остаётся здоровой, поскольку питательные вещества из недоеденных растений или остатков пищи гетеротрофа возвращаются в почву, позволяя биосфере нормально функционировать.
Видео про редуценты, консументы и продуценты
Уровни (звенья) пищевой (трофической) цепи
В пищевой цепи, как и говорилось выше, в основном четыре или пять уровней, каждый из которых отличается по значимости и их представителям. Некоторые живые организмы в один и тот же момент могут относиться сразу к нескольким уровням, но это больше исключение из правил, поэтому говорить о них не имеет смысла. Ниже будут перечислены пять основных уровней трофической цепи, благодаря которым биосфера функционирует до сих пор без особых перебоев:
Первый трофический уровень
Любой процесс должен с чего-то начинаться, поэтому в начале пищевой цепи лежит первый трофический уровень. Он состоит из автотрофных организмов (продуцентов), которые для своего выживания генерируют пищу из солнечной энергии или химических реакций. Основными представителями можно назвать практически все растения, поскольку фотосинтез – это то, чего попросту не может быть у животных или бактерий.
Второй трофический уровень
После первого уровня начинается второй, что вполне логично. К нему относятся все растительноядные потребители, которые в свою пищу употребляют растения. В основном это гусеницы, насекомые, небольшие животные, такие как зайцы или овцы, а также множество других живых организмов. Данный уровень можно назвать промежуточным, ведь его представители не настолько сильные, чтобы питаться другими гетеротрофами или деструкторами, но у них в то же время есть возможность съедать автотрофов.
Третий трофический уровень
К третьему уровню относится большинство не самых больших, но и не слабых животных, которые питаются травоядными. Их называют вторичными потребителями или хищниками. Больше нельзя сказать что-то об этом уровне, поскольку к нему принадлежит слишком большое количество живых организмов.
Четвертый трофический уровень
Четвертый уровень является пристанищем сильных хищников, которые без особых проблем съедают представителей второго и третьего. У них есть естественные враги, но их количество очень мало, поскольку именно эти живые организмы получают способность к сопротивлению и защите от других. Например, к ним относятся совы, которые поедают змей, а те в свою очередь питаются зайцами или другими грызунами. Таким образом можно заметить закономерность и последовательность, ведь зайцы питаются растениями. Вот и всё, четыре шага, четыре уровня, четыре живых организма.
Пятый трофический уровень
Это последних из основных звеньев. Представителей данной группы называют высшими хищниками или даже суперхищниками. У животных, относящихся к пятому уровню, нет естественных врагов. Они являются королями своей экосистемы и могут делать всё, что захотят.
К тому же, примечательным можно назвать тот факт, что после смерти какого-либо организма, его труп съедают детритофаги, а остатки разлагаются при помощи редуцентов. Пищевая цепь полностью последовательна, ведь разложенные деструкторами остатки отправляются обратно в почву, а ими уже питаются растения, т.е. представители первого уровня, и вся цепь начинается по новой. Именно поэтому можно с уверенностью сказать, что пищевая цепь является замкнутой системой, в которой есть свой круговорот питательных веществ.
Некоторые живые организмы могут кочевать от одного уровня к другому, в зависимости от экосистемы, в которой они обитают. Из самого понятного примера можно привести медведя, который относится к пятому уровню и считается высшим хищником. Это животное нередко ест ягоды, а значит выступает в качестве представителя травоядных и относится ко второму уровню, но это ведь не значит, что вторичные потребители сумеют его съесть. Кстати, человек лишь за один день может изменить своё местоположение в цепи несколько раз.
Типы пищевых цепей
Учёные выделяют, как правильно, два подразделения пищевых цепей:
- Пастбищную
- Детритную
Пастбищная пищевая цепь
Началом этого типа пищевой цепи являются живые зелёные растения, которые предназначены для последующего употребления их в пищу травоядными животными. Их в свою очередь съедят уже хищники третьего, четвертого или пятого трофического уровня. Такие экосистемы зависят от солнечной энергии, которой питаются автотрофы.
Если подводить итог, то пастбищный тип пищевых цепей целиком и полностью зависит от перемещения генерируемой автотрофами энергии по остальным звеньям. Это основной тип, к которому относится большая часть всех экосистем, существующих в природе. Внизу будет перечислено несколько примеров пастбищных пищевых цепей:
Растение > грызун > хищник третьего уровня (лиса/волк) > хищник четвёртого уровня (лев, леопард)
Трава > насекомое > птица > хищник, питающийся птицами
Детритная пищевая цепь
Детритная пищевая цепь берёт своё начало из разлагающихся органических материалов, которые в свою очередь употребляют в пищу детритофаги. После этого данные организмы становятся пищей для хищников. Основным отличием детритного типа от пастбищного можно назвать тот факт, что детритный не нуждается в большом количестве солнечной энергии и не особо зависит от него. Чем больше живых существ будет в цепи, тем больше органических веществ детритофаги сумеют получить после их смерти. Из основных примеров можно назвать подстилку умеренных лесов.
Интересное видео про типы пищевых цепей
Энергия в пищевой цепи
Вся энергия, которая производится в любой из экосистемы, переносится между трофическими уровнями во время питания. Но этот процесс очень расточительный и неэффективный, ведь то же насекомое съедает лишь часть от растения, забирая небольшое количество энергии. Пищевые цепи, несмотря на всю важность и, казалось бы, полную последовательность, крайне ограничены:
Во время перехода от одного трофического уровня к другому, часть энергии сохраняется в качестве биомассе организмов. Но после употребления этого организма другим, более высоким звеном цепи, сохраняется лишь десять процентов от энергии. Потом происходит ещё один переход, одно существо съело другое и вновь получило лишь 10%. Таким образом потеря изначальной энергии становится очень большой и вся эффективность системы на самом деле полностью отсутствует. Именно по этой причине все пищевые цепи ограничиваются 3-6 уровнями, ведь дальше просто не останется энергии для питания.
Вся эта потеря энергии происходит в форме тепла или отходов, которые появляются после употребления. Из основных причин отсутствия эффективности в, казалось бы, отработанной миллионами лет схемой можно выделить:
- Каждый трофический уровень, как и каждый организм, имеет большое количество энергии в виде тепла. Из-за того, что живые организмы дышат, передвигаются и просто существуют, это тепло расходуется, но восстанавливается во время питания или пищи. Когда одно животное съедает другое, оно уже теряет много энергии, ведь организм всеми силами пытается сохранить себе жизнь и тратит на это огромное количество энергии, в частности тепловой.
- В каждом организме есть определённое количество молекул, которые невозможно переварить. Именно из-за этого они выходят в виде фекалий, которые есть у каждого живого организма, в частности человека.
- На самом деле, далеко не все представители определённого звена будут съедены, поскольку их могут попросту не найти или не заметить. Из-за этого они просто погибают спустя какое-то время, например, от болезни или от старости. После этого существо, которое должно было употребить в пищу уже мёртвое, также умирает, создавая цепную реакцию.
- Фекалии и мёртвые организмы являются пищей для деструкторов, которые перерабатывают их и раскладывают на питательные вещества, а в обмен берут энергию для собственной жизни, не отдавая её никому.
Поскольку в природе есть закон сохранения энергии, ещё с уроков физики каждый человек знает, что никакая энергия не может пропасть бесследно. Вся энергия уходит в виде тепла, которое выделяется в следствие любого действия живых организмов.
Пищевые цепи – примеры
Примеров экосистем, в которых есть свои пищевые цепи, в природе существует множество. Поэтому проще поделить их на некоторые категории и уже от этого отталкиваться при составлении каких-то наглядных пищевых звеньев:
Пищевая цепь у насекомых
Если брать общий вид, то у насекомых пищевая цепь выглядит так: растительность –> фитофаги –> энтомофаги –> крупные хищники. Фитофагами, кстати, называются небольшие и привычные нам насекомые, такие как тля, бабочки и прочие. Они употребляют в пищу растительность, после чего становятся добычей для более крупных насекомых, которыми являются энтомофаги. После этого они становятся пищей для птиц или прочих крупных хищных животных, будь то земноводные или млекопитающие. Более наглядной эта цепь будет выглядит в форме: нектар – пчела – стрекоза – змея – орёл.
Пищевая цепь в биогеоценозе
Биогеоценозом называется некая группа организмов, которые взаимодействуют между собой и тесно связаны. Если какое-то животное биогеоценоза умирает, то оно подвергает исчезновению всю пищевую цепь экосистемы, поскольку представители других звеньев попросту не могут найти себе другую пищу. Из наглядных примеров можно выделить: одуванчик – гусеница – крот – ворон. Таким образом, если гусеница погибнет до того, как её съест крот, то у последнего не будет пищи и тот умрёт вслед за ней, ворону же в этом плане куда проще, ведь он имеет крылья и может просто улететь к другой пище, но без энергии, которая добывается из пищи, он не сумеет это сделать и также умрёт.
Пищевая цепь редуцентов
Редуценты (разрушители или деструкторы) – это те организмы, которые при помощи своих желез способны разлагать остатки органических веществ до простейших неорганических. Лучшим примером можно назвать большинство грибов. Они являются ключевым звеном детритной пищевой цепи, поскольку они способны восстанавливать баланс недостающих веществ в экосистеме.
Водная пищевая цепь
В природе существует не только наземные пищевые звенья и уровни, которые были описаны выше, но и водная, которая имеет довольно весомые отличия. Но даже так, помимо отличий эти цепи нередко пересекаются, ведь водные существа могут нападать на наземных, и наоборот. Таким образом, те же птицы, например, зимородки, являются частью наземной цепи, но питаются представителями водной, рыбами. Точно так же происходит и в обратную сторону: есть рыбы, которые выслеживают и охотятся на насекомых. К тому же, разлагающиеся организмы, представители детритной пищевой цепи, таким же образом могут принадлежать и к водной среде.
Пищевая сеть
Вопреки мнению многих людей и даже некоторых учёных, пищевая цепь и сеть – это разные, хоть и смежные понятия. Если пищевой цепью называют взаимоотношение между живыми организмами в экосистеме, то пищевая сеть – это и есть экосистема, в которую входят все пищевые цепи в определённой системе. Таким образом, пищевая сеть не показывает какую-то цепочку взаимоотношений, не выстраивает их определённую последовательность, а подводит некий итог, включая в себя все живые организмы. Пищевая сеть существует для описания всех отношений между организмами в экосистеме.
Пищевая цепь — определение, типы, значение, трофические уровни и схемы
Каждый организм должен получать энергию для жизни. Например, растения потребляют энергию солнца, животные питаются растениями, а некоторые животные питаются другими животными.
Что такое пищевая цепь?
Пищевая (трофическая) цепь — это последовательность того, кто кого ест в биологическом сообществе (экосистеме) для получения питательных веществ и энергии, поддерживающих жизнедеятельность. При рассмотрении круговорота веществ в экосистеме необходимо учитывать три основные группы организмов: продуценты, консументы и редуценты. Ниже вы сможете более подробно ознакомится с каждой из этих трех групп.
Автотрофы (продуценты)
Автотрофы — живые организмы, которые производят свою пищу, то есть собственные органические соединения, из простых молекул, таких как углекислый газ. Существует два основных типа автотрофов:
- Фотоавтотрофы (фотосинтезирующие организмы) такие, как растения, перерабатывают энергию солнечного света для получения органических соединений — сахаров — из углекислого газа в процессе фотосинтеза. Другими примерами фотоавтотрофов являются водоросли и цианобактерии.
- Хемоавтотрофы получают органические вещества благодаря химическим реакциям, в которых задействованы неорганические соединения (водород, сероводород, аммиак и т.д.). Этот процесс называется хемосинтезом.
Автотрофы являются основой каждой экосистемы на планете. Они составляют большинство пищевых цепей и сетей, а энергия, получаемая в процессе фотосинтеза или хемосинтеза, поддерживает все остальные организмы экологических систем. Когда речь идет об их роли в пищевых цепях, автотрофы можно назвать продуцентами или производителями.
Гетеротрофы (консументы)
Гетеротрофы, также известные как потребители, не могут использовать солнечную или химическую энергию, для производства собственной пищи из углекислого газа. Вместо этого, гетеротрофы получают энергию, потребляя другие организмы или их побочные продукты.
Люди, животные, грибы и многие бактерии — гетеротрофы. Их роль в пищевых цепях заключается в потреблении других живых организмов. Существует множество видов гетеротрофов с разными экологическими ролями: от насекомых и растений до хищников и грибов.
Деструкторы (редуценты)
Следует упомянуть еще одну группу потребителей, хотя она не всегда фигурирует в схемах пищевых цепей. Эта группа состоит из редуцентов, организмов, которые перерабатываю мертвые органические вещества и отходы, превращаяя их в неорганические соединения.
Редуценты иногда считаются отдельным трофическим уровнем. Как группа, они питаются отмершими организмами, поступающими на различных трофических уровнях. (Например, они способны перерабатывать разлагающееся растительное вещество, тело недоеденной хищниками белки или останки умершего орла.) В определенном смысле, трофический уровень редуцентов проходит параллельно стандартной иерархии первичных, вторичных и третичных потребителей. Грибы и бактерии являются ключевыми редуцентами во многих экосистемах.
Редуценты, как часть пищевой цепи, играют важную роль в поддержании здоровой экосистемы, поскольку благодаря им, в почву возвращаются питательные вещества и влага, которые в дальнейшем используется продуцентами.
Уровни пищевой (трофической) цепи
Схема уровней пищевой (трофической) цепи
Пищевая цепь представляет собой линейную последовательность организмов, которые передают питательные вещества и энергию начиная с продуцентов и к высшим хищникам.
Трофический уровень организма — это положение, которое он занимает в пищевой цепи.
Первый трофический уровень
Пищевая цепь начинается с автотрофного организма или продуцента, производящего собственную пищу из первичного источника энергии, как правило, солнечной или энергии гидротермальных источников срединно-океанических хребтов. Например, фотосинтезирующие растения, хемосинтезирующие бактерии и археи.
Второй трофический уровень
Далее следуют организмы, которые питаются автотрофами. Эти организмы называются растительноядными животными или первичными потребителями и потребляют зеленые растения. Примеры включают насекомых, зайцев, овец, гусениц и даже коров.
Третий трофический уровень
Следующим звеном в пищевой цепи являются животные, которые едят травоядных животных — их называют вторичными потребителями или плотоядными (хищными) животными (например, змея, которая питается зайцами или грызунами).
Четвертый трофический уровень
В свою очередь, этих животных едят более крупные хищники — третичные потребители (к примеру, сова ест змей).
Пятый трофический уровень
Третичных потребителей едят четвертичные потребители (например, ястреб ест сов).
Каждая пищевая цепь заканчивается высшим хищником или суперхищником — животным без естественных врагов (например, крокодил, белый медведь, акула и т.д.). Они являются «хозяевами» своих экосистем.
Когда какой-либо организм умирает, его в конце концов съедают детритофаги (такие, как гиены, стервятники, черви, крабы и т.д.), а остальная часть разлагается с помощью редуцентов (в основном, бактерий и грибов), и обмен энергией продолжается.
Стрелки в пищевой цепи показывают поток энергии, от солнца или гидротермальных источников до высших хищников. По мере того, как энергия перетекает из организма в организм, она теряется на каждом звене цепи. Совокупность многих пищевых цепей называется пищевой сетью.
Положение некоторых организмов в пищевой цепи может варьироваться, поскольку их рацион отличается. Например, когда медведь ест ягоды, он выступает как растительноядное животное. Когда он съедает грызуна, питающегося растениями, то становиться первичным хищником. Когда медведь ест лосося, то выступает суперхищником (это связано с тем, что лосось является первичным хищником, поскольку он питается селедкой, а она ест зоопланктон, который питается фитопланктоном, вырабатывающим собственную энергию благодаря солнечному свету). Подумайте о том, как меняется место людей в пищевой цепи, даже часто в течение одного приема пищи.
Типы пищевых цепей
В природе, как правило, выделяют два типа пищевых цепей:
- пастбищную
- детритную
Пастбищная пищевая цепь
Схема пастбищной пищевой цепи
Этот тип пищевой цепи начинается с живых зеленых растений, предназначенных для питания растительноядных животных, которыми питаются хищники. Экосистемы с таким типом цепи напрямую зависят от солнечной энергии.
Таким образом, пастбищный тип пищевой цепи зависит от автотрофного захвата энергии и перемещения ее по звеньям цепи. Большинство экосистем в природе следуют этому типу пищевой цепи.
Примеры пастбищной пищевой цепи:
Трава → Кузнечик → Птица → Ястреб;
Растения → Заяц → Лиса → Лев.
Детритная пищевая цепь
Схема детритной пищевой цепи
Этот тип пищевой цепи начинается с разлагающегося органического материала — детрита — который употребляют детритофаги. Затем, детритофагами питаются хищники. Таким образом, подобные пищевые цепи меньше зависят от прямой солнечной энергии, чем пастбищные. Главное для них — приток органических веществ, производимых в другой системе.
К примеру, такой тип пищевой цепи встречается в разлагающейся подстилке умеренного леса.
Энергия в пищевой цепи
Энергия переносится между трофическими уровнями, когда один организм питается другим и получает от него питательные вещества. Однако это движение энергии неэффективное, и эта неэффективность ограничивает протяженность пищевых цепей.
Когда энергия входит в трофический уровень, часть ее сохраняется как биомасса, как часть тела организмов. Эта энергия доступна для следующего трофического уровня. Как правило, только около 10% энергии, которая хранится в виде биомассы на одном трофическом уровне, сохраняется в виде биомассы на следующем уровне.
Этот принцип частичного переноса энергии ограничивает длину пищевых цепей, которые, как правило, имеют 3-6 уровней.
На каждом уровне, энергия теряется в виде тепла, а также в форме отходов и отмершей материи, которые используют редуценты.
Почему так много энергии выходит из пищевой сети между одним трофическим уровнем и другим? Вот несколько основных причин неэффективной передачи энергии:
- На каждом трофическом уровне значительная часть энергии рассеивается в виде тепла, поскольку организмы выполняют клеточное дыхание и передвигаются в повседневной жизни.
- Некоторые органические молекулы, которыми питаются организмы, не могут перевариваться и выходят в виде фекалий.
- Не все отдельные организмы в трофическом уровне будут съедены организмами со следующего уровня. Вместо этого, они умирают, не будучи съеденными.
- Кал и несъеденные мертвые организмы становятся пищей для редуцентов, которые их метаболизируют и преобразовывают в свою энергию.
Итак, ни одна из энергий на самом деле не исчезает — все это в конечном итоге приводит к выделению тепла.
Значение пищевой цепи
- Исследования пищевой цепи помогают понять кормовые отношения и взаимодействие между организмами в любой экосистеме.
- Благодаря им, есть возможность оценить механизм потока энергии и циркуляцию веществ в экосистеме, а также понять движение токсичных веществ в экосистеме.
- Изучение пищевой цепи позволяет понять проблемы биоусиления.
В любой пищевой цепи, энергия теряется каждый раз, когда один организм потребляется другим. В связи с этим, должно быть намного больше растений, чем растительноядных животных. Автотрофов существует больше, чем гетеротрофов, и поэтому большинство из них являются растительноядными, нежели хищниками. Хотя между животными существует острая конкуренция, все они взаимосвязаны. Когда один вид вымирает, это может воздействовать на множество других видов и иметь непредсказуемые последствия.
Энергия в экосистеме. Пищевые цепи
Основу «работы» экосистемы составляют два связанных процесса: круговорот веществ, который осуществляется благодаря деятельности продуцентов, консументов и редуцентов, и протекание через нее потока энергии, поступающей извне. Энергия используется однократно и расходуется на «раскручивание» круговоротов веществ. Круговороты веществ в конкретной экосистеме и биосфере имеют сходную природу, и потому мы рассмотрим их в главе 13. В этом разделе мы познакомимся с закономерностями протекания энергии через экосистему.
Физики определяют энергию как способность производить работу или теплообмен между двумя объектами, обладающими разной температурой. Энергия является основой «работы» любой экосистемы, в которой происходят синтез и многократные преобразования веществ.
Основным источником энергии является Солнце. Даже гетеротрофные экосистемы используют солнечную энергию, хотя и через посредника, в роли которого выступает автотрофная экосистема, поставляющая для нее органические вещества. Ю. Одум (1986) даже определил экологию как науку, которая «…изучает связь между светом и экологическими системами и способы превращения энергии внутри экосистемы» (с. 106).
Поток солнечной энергии постоянно протекает через фотоавтотрофные организмы, причем при передаче энергии от одного организма к другому в пищевых цепях происходит ее рассеивание в виде тепла. Из поступающей на Землю энергии Солнца экосистемой усваивается не более 2% (в экспериментальных культурах морских планктонных водорослей удалось достичь уровня фиксации солнечной энергии 3,5%). Большая часть энергии используется на транспирацию, отражается листьями, идет на нагревание атмосферы, воды и почвы (см. 2.2.2).
Последовательность организмов, в которой каждый предыдущий организм служит пищей последующему, называется пищевой цепью. Каждое звено такой цепи представляет трофический уровень (растения, фитофаги, хищники I порядка, хищники II порядка и т.д.).
Различают два типа пищевых цепей: пастбищные (автотрофные), в которых в качестве первого звена выступают растения ( трава – корова – человек; трава – заяц – лисица; фитопланктон – зоопланктон – окунь – щука и др.), и детритные (гетеротрофные), в которых первое звено представлено мертвым органическим веществом, которым питается детритофаг (опавший лист – дождевой червь – скворец – сокол).
Количество звеньев в пищевых цепях может быть от одного–двух до пяти–шести. Пищевые цепи в водных экосистемах, как правило, более длинные, чем в наземных.
Поскольку большинство организмов имеет широкую диету (т.е. может использовать в пищу организмы разных видов), то в реальных экосистемах функционируют не пищевые цепи, а пищевые сети. По этой причине пищевая цепь – это упрощенное выражение трофических отношений в экосистеме.
Эффективность передачи энергии по пищевой цепи зависит от двух показателей:
1. от полноты выедания (доли организмов предшествующего трофического уровня, которые были съедены живыми);
2. от эффективности усвоения энергии (удельной доли энергии, которая перешла на следующий трофический уровень в пересчете на каждую единицу съеденной биомассы).
Полнота выедания и эффективность усвоения энергии возрастают с повышением трофического уровня и меняются в зависимости от типа экосистемы.
Так в лесной экосистеме фитофаги потребляют менее 10% продукции растений (остальное достается детритофагам), а в степи – до 30%. В водных экосистемах выедание фитопланктона растительноядным зоопланктоном еще выше – до 40%. Этим объясняются основные краски Земли на космических снимках: леса зеленые именно потому, что фитофаги съедают мало фитомассы, а океан голубой, оттого что фитофаги выедают достаточно много фитопланктона (Polis, 1999).
С повышением трофического уровня полнота выедания еще более возрастает, хищники высших порядков выедают до 90% своих жертв, и потому доля животных, которым удается дожить до естественной смерти, очень невелика. В водных экосистемах, к примеру, в детрит переходит 100% биомассы хищных рыб (их есть некому и плотность популяции контролируют только паразиты), но лишь 1/4 часть биомассы планктоноядных рыб, которые умерли «своей смертью». Этот детрит опускается на дно. Лишь часть его поедается детритофагами бенотоса, а остальная – попадает в донные осадки. Доля детрита, поступающего в осадки, тем больше, чем выше продуктивность водной экосистемы.
При оценке коэффициента усвоения энергии в пищевых цепях часто используют «число Линдемана»: с одного трофического уровня на другой в среднем передается 10% энергии, а 90% – рассеивается. Однако это «число» чрезмерно упрощает и даже искажает реальную картину. «Закон 10%» действует только при переходе энергии с первого трофического уровня на второй, и то не во всех случаях. Эффективность усвоения энергии в следующих звеньях пищевой цепи – от фитофагов к зоофагам или к хищникам высших порядков – может достигать 60%.
Высокой эффективностью усвоения энергии в «плотоядных» звеньях пищевых цепей объясняется сравнительно небольшое количество экскрементов хищников и ограниченность состава сапротрофов (редуцентов, копрофагов), питающихся ими. Основная фауна копрофагов связана с экскрементами растительноядных животных. Кстати, о том, что при хищничестве эффективность усвоения энергии выше, чем при фитофагии, знает каждый из личного опыта: вегетарианский обед из овощей или картофеля велик по объему, но малокалориен, а сравнительно небольшой по весу бифштекс утолит голод и надолго обеспечит ощущение сытости.
Таким образом, в пищевой цепи на каждом следующем трофическом уровне относительное количество передаваемой энергии возрастает, так как одновременно увеличивается и потребление живой биомассы, и ее усвоение (уменьшается доля биомассы, которая возвращается в экосистему с экскрементами).
Поведение энергии подчиняется действию первого и второго законов термодинамики.
Первый закон (сохранения энергии) – о сохранении ее количества при переходе из одной формы в другую. Энергия не может появиться в экосистеме сама собой, она поступает в нее извне с солнечным светом или вследствие химических реакций и усваивается продуцентами. Далее она будет частично использована консументами и симбиотрофами, «обслуживающими» растения, частично – редуцентами, которые разлагают мертвые части растений, и частично – затрачена на дыхание. Если суммировать все эти фракции расхода энергии, усвоенной растениями в фотоавтотрофной экосистеме, то сумма будет равна той потенциальной энергии, которая накоплена при фотосинтезе.
Второй закон – о неизбежности рассеивания энергии (т.е. снижения ее «качества») при переходе из одной формы в другую. В соответствии с этим законом энергия теряется при ее передаче по пищевым цепям. В наиболее общем виде эти потери отражает «число Линдемана».
Контрольные вопросы
1. Что такое энергия?
2. Какое количество солнечной энергии может усвоить экосистема?
3. Что такое пищевая цепь?
4. Что такое трофический уровень?
5. Приведите примеры пастбищных и детритных пищевых цепей.
6. Из какого числа звеньев состоят пищевые цепи в наземных и водных экосистемах?
7. Чем отличаются понятия «пищевая цепь» и «пищевая сеть»?
8. В каких пределах меняется полнота выедания организмов на разных трофических уровнях и в разных экосистемах?
9. Как меняется эффективность усвоения энергии организмами с повышением их трофического уровня?
10. Проиллюстрируйте действие законов термодинамики при «работе» экосистемы.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: