Пищевые цепи и трофические уровни

Введение 

Организмы в природе  связаны общностью энергии и  питательных веществ. Всю экосистему можно уподобить единому механизму, потребляющему энергию и питательные  вещества для совершения работы. Питательные  вещества первоначально происходят из абиотического компонента системы, в который, в конце концов, и  возвращаются либо в качестве отходов  жизнедеятельности, либо после гибели и разрушения организмов.

Внутри экосистемы содержащие энергию органические вещества создаются автотрофными организмами  и служат пищей (источником вещества и энергии) для гетеротрофов.Типичный пример: животное поедает растения. Это животное в свою очередь может быть съедено другим животным, и таким путем может происходить перенос энергии через ряд организмов - каждый последующий питается предыдущим, поставляющим,поставляющим ему сырье и энергию. Такая последовательность называется пищевой цепью, а каждое ее звено - трофическим уровнем. 

1. Пищевые цепи и  трофические уровни

Пищевая цепь - это  путь движения вещества (источник энергии  и строительный материал) в экосистеме от одного организма к другому.

Трофический уровень  —это совокупность организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания. К одному трофическому уровню принадлежат организмы,получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней.

1.1 Группы  организмов,участвующие в биогеоцинозе

Биотический круговорот происходит в природной системе, объединяющей на основе обмена веществ и энергии сообщество живых организмов (биоценоз) с неживыми компонентами — условиями обитания. Такая система получила название биогеоценоз(греч. geo — земля). В ней обмен веществом и энергией обеспечивается взаимодействием трех групп организмов.

Первая  группа — продуценты,или производители (от лат. produsent— производить). К ним относятся автотрофные организмы, производящие пищу в процессе фото- или хемосинтеза, т. е. первичные органические вещества.

Вторая  группа представлена консументами, т. е. потребителями (от лат. consume — потреблять), — гетеротрофными организмами, главным образом животными, поедающими другие организмы. Различают первичных консументов(животных, питающихся зелеными растениями, травоядных) и вторичных консументов(хищников, плотоядных, которые поедают растительноядных). Вторичный консумент может служить источником пищи для другого хищника — консумента третьего порядка и т. д.

Третья  группа — редуценты,или деструкторы (reducens — возвращать). Это гетеротрофные организмы,разлагающие органические остатки всех трофических уровней (остатки пищи,мертвые организмы). К ним относятся грибы, бактерии, беспозвоночные (например,черви). Минеральные вещества и диоксид углерода, образующиеся при деятельности редуцентов, опять поступают в воду, воздух и почву, а затем — в распоряжение продуцентов. 
 

Рисунок1.1. Схема трансформации энергии в биоцинозе

1.2 Трофическая  структура экосистемы 

В результате последовательности превращений энергии в пищевых  цепях каждое сообщество живых организмов в экосистеме приобретает определенную трофическую структуру. Трофическая  структура сообщества отражает соотношение  между продуцентами, консументами (отдельно первого, второго и т.д. порядков) и редуцентами, выраженное или количеством особей живых организмов, или их биомассой,или заключенной в них энергией, рассчитанными на единицу площади в единицу времени.

Органическое вещество, производимое автотрофами, называется первичной продукцией. Скорость накопления энергии первичными продуцентами называется валовой первичной продуктивностью,а скорость накопления органических веществ – чистой первичной продуктивностью. ВПП примерно на 20 % выше, чем ЧПП, так как часть энергии растения тратят на дыхание. Всего растения усваивают около процента солнечной энергии, поглощённой ими.

При поедании одних  организмов другими вещество и пища переходят на следующий трофический  уровень. Количество органического  вещества, накопленного гетеротрофами, называется вторичной продукцией. Поскольку гетеротрофы дышат и выделяют непереваренные остатки, в каждом звене часть энергии теряется. Это накладывает существенное ограничение на длину пищевых цепей; количество звеньев в них редко бывает больше 6. Отметим, что эффективность переноса энергии от одних организмов к другим значительно выше, чем эффективность производства первичной продукции.Средняя эффективность переноса энергии от растения к животному составляет около10 %, а от животного к животному – 20 %. Обычно растительная пища энергетически менее ценна, так как в ней содержится большое количество целлюлозы и древесины,не перевариваемых большинством животных.

Такая последовательность и соподчиненность связанных  в форме трофических уровней  групп организмов представляет собой  поток вещества и энергии в  экосистеме,основу ее организации.

Изучение продуктивности экосистем важно для их рационального  использования.Эффективность экосистем может быть повышена за счёт повышения урожайности,уменьшения помех со стороны других организмов (например, сорняков по отношению к сельскохозяйственным культурам), использования культур, более приспобленных к условиям данной экосистемы. По отношению к животным необходимо знать максимальный уровень добычи (то есть количество особей, которые можно изъять из популяции за определённый промежуток времени без ущерба для её дальнейшей продуктивности).

1.3Типы  пищевых цепей 

Существует2 основных типа трофических цепей — пастбищные и детритные.

В пастбищной трофической  цепи (цепь выедания) основу составляют автотрофные организмы, затем идут потребляющие их растительноядные животные(например, зоопланктон,питающийся фитопланктоном),потом хищники (консументы)1-го порядка (например, рыбы,потребляющие зоопланктон), хищники 2-го порядка (например, щука,питающаяся другими рыбами). Особенно длинны трофические цепи в океане, где многие виды (например, тунцы) занимают место консументов 4-го порядка.

В детритных трофических цепях (цепи разложения), наиболее распространенных в лесах, большая часть продукции растений не потребляется непосредственно растительноядными животными, а отмирает, подвергаясь затем разложению сапротрофными организмами и минерализации.Таким образом, детритные трофические цепи начинаются от детрита, идут к микроорганизмам, которые им питаются, а затем к детритофагам и к их потребителям — хищникам. В водных экосистемах (особенно в эвтрофных водоемах и на больших глубинах океана) часть продукции растений и животных также поступает в детритные трофические цепи. 

Рисунок 1.2. Поток  энергии через пастбищную пищевую  цепь. Все цифры даны в кДж/м²·год.

2. Пищевые сети 

В схемах пищевых  цепей каждый организм представлен  питающимся организмами какого-то определённого  типа. Действительность намного сложнее, и организмы(особенно, хищники) могут питаться самыми разными организмами, даже из различных пищевых цепей. Таким образом, пищевые цепи переплетаются, образуя пищевые сети. 

Рисунок 2. Пример пищевой  сети 

3. Экологические пирамиды 

Пищевые сети служат основой для построения экологических пирамид. Эту графическую модель разработал в 1927 г. американский зоолог Чарльз Элтон. Основанием пирамиды служит первый трофический уровень —уровень продуцентов, а следующие этажи пирамиды образованы последующими уровнями — консументами различных порядков. Высота всех блоков одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне.Различают три способа построения экологических пирамид. 

Рисунок 3.1. Пример пищевой  сети. 

3.1Пирамида  чисел 

Пирамида чисел (численностей)отражает численность отдельных организмов на каждом уровне. 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. Иногда пирамиды чисел 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).

3.2 Пирамида  биомасс 

Пирамида биомасс  —соотношение масс организмов разных трофических уровней. 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. Если организмы не слишком различаются по размерам, то на графике обычно получается ступенчатая пирамида с суживающейся верхушкой. Так, для образования 1 кг говядины необходимо 70—90 кг свежей травы.

В водных экосистемах  можно также получить обращенную, или перевернутую, пирамиду биомасс, когда биомасса продуцентов оказывается  меньшей, нежели консументов, а иногда и редуцентов. Например, в океане при довольно высокой продуктивности фитопланктона общая масса в данный момент его может быть меньше, нежели у потребителей-консументов (киты, крупные рыбы, моллюски). Пирамида биомасс отражает статику системы, т. е. характеризует биомассу организмов в определенный промежуток времени. Она не дает полной информации о трофической структуре экосистемы, хотя позволяет решать ряд практических задач, особенно связанных с сохранением устойчивости экосистем. 

Рисунок 3.2. Слева  изображена прямая пирамида биомасс, справа – перевёрнутая.

Рисунок 3.3. Пример сезонного  изменения в пирамиде биомассы

3.3 Пирамида  энергии 

Пирамида энергии  отражает величину потока энергии, скорость прохождения массы пищи через  пищевую цепь. На структуру биоценоза  в большей степени оказывает  влияние не количество фиксированной  энергии, а скорость продуцирования пищи.

Установлено,что максимальная величина энергии, передающейся на следующий трофический уровень, может в некоторых случаях составлять 30 % от предыдущего, и это в лучшем случае. Во многих биоценозах, пищевых цепях величина передаваемой энергии может составлять всего лишь 1 %.

В1942 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.

Вот почему цепи питания  обычно не могут иметь более 3—5 (редко 6) звеньев, а экологические пирамиды не могут состоять из большого количества этажей. К конечному звену пищевой  цепи так же, как и к верхнему этажу экологической пирамиды, будет  поступать так мало энергии, что ее не хватит в случае увеличения числа организмов.

Этому утверждению  можно найти объяснение, проследив, куда тратится энергия потребленной пищи (С). Часть ее идет на построение новых клеток, т.е. на прирост (Р). Часть  энергии пищи расходуется на обеспечение  энергетического обмена (R) или на дыхание (i) .Поскольку усвояемость  пищи не может быть полной, т.е. 100 %, то часть неусвоенной пищи в виде экскрементов удаляется из организма (F). Балансовое равенство будет выглядеть  следующим образом: 

С= Р + R + F . 

Учитывая,что энергия, затраченная на дыхание, не передается на следующий трофический уровень и уходит из экосистемы, становится ясным, почему каждый последующий уровень всегда будет меньше предыдущего.

Именно поэтому  большие хищные животные всегда редки. Поэтому также нет хищников,которые питались бы волками. В таком случае они просто не прокормились бы,поскольку волки немногочисленны.

Экологические пирамиды чисел, биомассы и энергии, изображенные в виде графических моделей,выражают количественные соотношения разных по способу питания организмов:продуцентов, консументов и редуцентов. 

4. Пищевые связи  пресного водоема 

Цепи питания пресного водоема состоят из нескольких последовательных звеньев.Например, растительными остатками и развивающимися на них бактериями питаются простейшие, которых поедают мелкие рачки. Рачки, в свою очередь, служат пищей рыбам, а последних могут поедать хищные рыбы. Почти все виды питаются не одним типом пищи, а используют разные пищевые объекты. Пищевые цепи сложно переплетены. Отсюда следует важный общий вывод: если какой-нибудь член биогеоценоза выпадает, то система не нарушается, так как используются другие источники пищи. Чем больше видовое разнообразие, тем система устойчивее.

Первичным источником энергии в водном биогеоценозе, как  и в большинстве экологических  систем, служит солнечный свет, благодаря  которому растения синтезируют органическое вещество. Очевидно, биомасса всех существующих в водоеме животных полностью  зависит от биологической продуктивности растений.

Часто причиной низкой продуктивности естественных водоемов бывает недостаток минеральных веществ (в особенности азота и фосфора), необходимых для роста автотрофных  растений, или неблагоприятная кислотность  воды. Внесение минеральных удобрений, а в случае кислой среды известкование  водоемов способствуют размножению  растительного планктона, которым  питаются животные,служащие кормом для рыб. Таким путем повышают продуктивность рыбохозяйственных прудов.