Пищевые цепи и трофические уровни

Энергия, содержащаяся в органическом веществе одних ор­ганизмов, потребляется другими организмами. Перенос веществ и заключенной в них энергии от автотрофов к гетеротрофам, что происходит в результате поедания одними организмами дру­гих, называется пищевой цепью (цепью питания, трофической цепью) (рис. 7).

Огромную роль в воспроизводстве жизни играет энергия Солнца. Количество этой энергии очень велико (примерно 55 ккал на 1 см² в год). Из этого количества продуценты — зеле­ные растения — в результате фотосинтеза фиксируют не более 1—2 % энергии, а пустыни и океан — сотые доли процента.

Число звеньев в пищевой цепи может быть различным, но обычно их 3—4 (реже 5). Дело в том, что к конечному звену пи­щевой цепи поступает так мало энергии, что ее не хватит в случае увеличения числа организмов.

Рис. 7. Пищевые цепи в наземной экосистеме

Совокупность организмов, объединенных одним типом пи­тания и занимающих определенное положение в пищевой цепи, носит название трофический уровень. К одному трофическому уровню принадлежат организмы, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней.

Первый трофический уровень занимают автотрофы, зеленые растения (продуценты), первичные потребители солнечной энергии; второй — растительноядные животные (фитофаги, консументы первого порядка); третий — хищники, питающиеся растительноядными животными (консументы второго порядка), и паразиты первичных консументов; вторичные хищники (кон­сументы третьего порядка) и паразиты вторичных консументов образуют четвертый трофический уровень. Организмы, стоящие на каждом трофическом уровне, приспособлены природой для потребления определенного вида пищи, в качестве которой вы­ступают организмы предыдущего трофического уровня (или не­скольких предыдущих уровней).

Простейшая пищевая цепь (или цепь питания) может состо­ять из фитопланктона, затем идут более крупные травоядные планктонные ракообразные (зоопланктон), а заканчивается цепь китом (или мелкими хищниками), которые фильтруют этих ра­кообразных из воды.

 

Природа сложна. Все ее элементы, живые и неживые, — одно целое, комплекс приспособленных друг к другу, взаимодей­ствующих и взаимосвязанных явлений и существ. Это звенья од­ной цепи. И если удалить из общей цепочки хотя бы одно такое звено, результаты могут быть непредвиденными.

Особенно негативно разрыв цепей питания может сказаться на биоценозах леса — будь то лесные биоценозы умеренной зоны либо отличающиеся богатым видовым разнообразием биоценозы тропического леса. Многие виды деревьев, кустарников или тра­вянистых растений пользуются услугами определенного опыли­теля — пчелы, осы, бабочки или колибри, обитающих в пределах ареала данного растительного вида. Как только погибнет последнее цветущее дерево или травянистое растение, опылитель вынуж­ден будет покинуть данное местообитание. В результате погиб­нут питающиеся этими растениями или плодами дерева фитофа­ги (травоядные). Без пищи останутся охотившиеся на фитофагов хищники, а далее изменения последовательно коснутся осталь­ных звеньев пищевой цепи. В итоге они скажутся и на человеке, поскольку у него есть свое определенное место в пищевой цепи.

Пищевые цепи можно разделить на два основных типа: паст­бищную и детритную. Пищевые цепи, которые начинаются с автотрофных фото синтезирующих организмов, называются па­ стбищными, или цепями выедания. На вершине пастбищной цепи стоят зеленые растения. На втором уровне пастбищной цепи обычно находятся фитофаги, т.е. животные, питающиеся растениями. Примером пастбищной пищевой цепи могут слу­жить взаимоотношения между организмами на пойменном лугу. Начинается такая цепь с лугового цветкового растения. Следую­щее звено — бабочка, питающаяся нектаром цветка. Затем идет обитатель влажных местообитаний — лягушка. Ее покровитель­ственная окраска позволяет ей подстеречь жертву, но не спасает от другого хищника — обыкновенного ужа. Цапля, поймав ужа, замыкает пищевую цепь на пойменном лугу.

Если пищевая цепь начинается с отмерших остатков расте­ний, трупов и экскрементов животных — детрита, она называет­ся детритной, или цепью разложения. Термин «детрит» означает продукт распада. Он позаимствован из геологии, где детритом называют продукты разрушения горных пород. В экологии дет­рит — это органическое вещество, вовлеченное в процесс разло­жения. Такие цепи характерны для сообществ дна глубоких озер, океанов, где многие организмы питаются за счет оседания детри­та, образованного отмершими организмами верхних освещен­ных слоев водоема.

В лесных биоценозах детритная цепь начинается с разложе­ния мертвого органического вещества животными-сапрофа-гами. Наиболее активное участие в разложении органики здесь принимают почвенные беспозвоночные животные (членисто­ногие, черви) и микроорганизмы. Присутствуют и крупные са-профаги — насекомые, которые готовят субстрат для организ­мов, осуществляющих процессы минерализации (для бактерий и грибов).

В отличие от пастбищной цепи размеры организмов при движении вдоль детритной цепи не возрастают, а, наоборот, уменьшаются. Так, на втором уровне могут стоять насекомые-мо­гильщики. Но наиболее типичными представителями детритной цепи являются грибы и микроорганизмы, питающиеся мертвым веществом и довершающие процесс разложения биоорганики до состояния простейших минеральных и органических веществ, которые затем в растворенном виде потребляются корнями зеленых растений на вершине пастбищной цепи, начиная тем самым новый круг движения вещества.

В одних экосистемах преобладают пастбищные, в других — детритные цепи. Например, лес считается экосистемой с преоб­ладанием детритных цепей. В экосистеме гниющего пня паст­бищная цепь вообще отсутствует. В то же время, например, в экосистемах поверхности моря практически все продуценты, представленные фитопланктоном, потребляются животными, а их трупы опускаются на дно, т.е. уходят из данной экосистемы. В таких экосистемах преобладают пастбищные пищевые цепи, или цепи выедания.

Общее правило, касающееся любой пищевой цепи, гласит: на каждом трофическом уровне сообщества большая часть поглощае­ мой с пищей энергии тратится на поддержание жизнедеятельно­сти, рассеивается и больше не может быть использована другими организмами. Таким образом, потребленная пища на каждом тро­фическом уровне ассимилируется не полностью. Значительная ее часть расходуется на обмен веществ. При переходе к каждому последующему звену пищевой цепи общее количество пригод­ной для использования энергии, передаваемой на следующий, более высокий трофический уровень, уменьшается.

Экологические пирамиды

Трофическую структуру биоценоза и экосистемы обычно ото­бражают графическими моделями в виде экологических пирамид. Такие модели разработал в 1927 г. английский зоолог Ч. Элтон.

Экологические пирамиды — это графические модели (как правило, в виде треугольников), отражающие число особей (пи­рамида чисел), количество их биомассы (пирамида биомасс) или заключенной в них энергии (пирамида энергии) на каждом тро­фическом уровне и указывающие на понижение всех показате­лей с повышением трофического уровня.

Различают три типа экологических пирамид.

1. Пирамида чисел (численностей) отражает численность от­дельных организмов на каждом уровне. В экологии пирамида численностей используется редко, так как из-за большого коли­чества особей на каждом трофическом уровне очень трудно ото­бразить структуру биоценоза в одном масштабе.

Чтобы уяснить, что такое пирамида чисел, приведем пример. Предположим, что в основании пирамиды 1000 т травы, массу которой составляют сотни миллионов отдельных травинок. Этой растительностью смогут прокормиться 27 млн кузнечиков, кото­рых, в свою очередь, могут употребить в пищу около 90 тыс. ля­гушек. Сами лягушки могут служить едой 300 форелям в пруду. А это количество рыбы может съесть за год один человек! Таким образом, в основании пирамиды несколько сотен миллионов травинок, а на ее вершине — один человек. Такова наглядная по­теря вещества и энергии при переходе с одного трофического уровня на другой.

Иногда случаются исключения из правила пирамид, и тогда мы имеем дело с перевернутой пирамидой чисел. Это можно на­блюдать в лесу, где на одном дереве живут насекомые, которыми питаются насекомоядные птицы. Таким образом, численность продуцентов меньше, нежели консументов.

2. Пирамида биомасс — соотношение между продуцентами и консументами, выраженное в их массе (общем сухом весе, энергосодержании или другой мере общего живого вещества). Обычно в наземных биоценозах общий вес продуцентов больше, чем консументов. В свою очередь, общий вес консументов пер­вого порядка больше, нежели консументов второго порядка, и т.д. Если организмы не слишком различаются по размерам, то на графике, как правило, получается ступенчатая пирамида с су­жающейся верхушкой.

Американский эколог Р. Риклефс объяснял структуру пира­миды биомасс так: «В большинстве наземных сообществ пира­мида биомасс сходна с пирамидой продуктивности. Если собрать все организмы, обитающие на каком-нибудь лугу, то вес расте­ний окажется гораздо больше веса всех прямокрылых и копыт­ных, питающихся этими растениями. Вес этих растительноядных животных в свою очередь будет больше веса птиц и кошачьих, составляющих уровень первичных плотоядных, а эти последние также будут превышать по весу питающихся ими хищников, если таковые имеются. Один лев весит довольно много, но львы встречаются столь редко, что вес их, выраженный в граммах на 1 м², окажется ничтожным».

Как и в случае с пирамидами чисел, можно получить так на­зываемую обращенную (перевернутую) пирамиду биомасс, когда биомасса продуцентов оказывается меньше, чем консументов, а иногда и редуцентов, и в основании пирамиды находятся не растения, а животные. Это касается в основном водных экоси­стем. Например, в океане при довольно высокой продуктивно­сти фитопланктона общая масса его в данный момент может быть меньше, чем у зоопланктона и конечного потребителя-кон-сумента (киты, крупные рыбы, моллюски).

3. 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.

Все экологические пирамиды строятся по одному правилу, а именно: в основании любой пирамиды находятся зеленые рас­тения, а при построении пирамид учитывается закономерное уменьшение от ее основания к вершине численности особей (пирамида чисел), их биомассы (пирамида биомасс) и проходя­щей через пищевые цепи энергии (пирамида энергии).

 

В 1942 г. американский эколог Р. Линдеман сформулировал закон пирамиды энергии, согласно которому с одного трофическо­го уровня на другой через пищевые цепи переходит в среднем около 10 % энергии, поступившей на предыдущий уровень эко­логической пирамиды. Остальная часть энергии тратится на обеспечение процессов жизнедеятельности. В результате процес­сов обмена организмы теряют в каждом звене пищевой цепи около 90 % всей энергии. Следовательно, для получения, напри­мер, 1 кг окуней должно быть израсходовано приблизительно 10 кг рыбьей молоди, 100 кг зоопланктона и 1000 кг фитопланктона.

Общая закономерность процесса передачи энергии такова: через верхние трофические уровни энергии проходит значитель­но меньше, чем через нижние. Вот почему большие хищные жи­вотные всегда редки, и нет хищников, которые питались бы, к примеру, волками. В таком случае они просто не прокорми­лись бы, настолько волки немногочисленны.

⇐ Предыдущая12131415161718192021Следующая ⇒

Поделиться: