Роль пищевых цепей. Примеры цепей питания в разных лесах
Большинство живых организмов питаются органической пищей, в этом специфика их жизнедеятельности на нашей планете. Среди этой пищи и растения, и мясо других животных, их продукты деятельности и мертвая материя, готовая к разложению. Сам процесс питания у различных видов растений и животных происходит по-разному, но всегда образуются так называемые Они преобразовывают материю и энергию, а питательные вещества могут таким образом переходить от одного существа к другому, осуществляя круговорот веществ в природе.
в лесу
Лесами различного рода покрыто довольно много поверхности суши. Это - легкие и инструмент очищения нашей планеты. Не зря многие прогрессивные современные ученые и активисты выступают сегодня против массовой вырубки лесов. Цепь питания в лесу может быть довольно разнообразна, но, как правило, включает в себя не более 3-5 звеньев. Для того чтобы понять суть вопроса, обратимся к возможным составляющим данной цепи.
Продуценты и консументы
- Первые - автотрофные организмы, что питаются неорганической пищей. Они берут энергию и материю для создания собственных тел, используя газы и соли из окружающей их среды. Как пример - зеленые растения, которые получают питание от солнечного света при помощи фотосинтеза. Или многочисленные виды микроорганизмов, которые обитают везде: в воздухе, в почве, в воде. Именно продуценты составляют в большинстве своем первое звено практически любой цепи питания в лесу (примеры будут приведены ниже).
- Вторые - гетеротрофные организмы, которые питаются органикой. Среди них - первого порядка те, что непосредственно осуществляют питание за счет растений и бактерий, продуцентов. Второго порядка - те, кто питается животной пищей (хищники или плотоядные).
Растения
С них, как правило, начинается цепь питания в лесу. Они выступают первым звеном в этом круговороте. Деревья и кустарники, травы и мхи добывают пищу из неорганических веществ, используя солнечный свет, газы и минералы. Цепь питания в лесу, к примеру, может начинаться с березы, кору которой поедает заяц, а его, в свою очередь, убивает и съедает волк.
Растительноядные животные
В разнообразных лесах в изобилии встречаются животные, которые питаются растительной пищей. Конечно же, например, сильно отличается по своему наполнению от угодий средней полосы. В джунглях обитают различные виды животных, многие из которых - травоядные, а значит, составляют второе звено пищевой цепи, питаясь растительной пищей. От слонов и носорогов до едва ли заметных насекомых, от земноводных и птиц до млекопитающих. Так, в Бразилии, к примеру, водятся более 700 видов бабочек, практически все из них - растительноядные.
Скуднее, конечно же, фауна в лесополосе средней части России. Соответственно, вариантов цепи питания в гораздо меньше. Белки и зайцы, другие грызуны, олени и лоси, зайцы - вот основа для подобных цепочек.
Хищники или плотоядные
Они так и называются, потому что поедают плоть, питаясь мясом других животных. В пищевой цепочке занимают главенствующее положение, часто являясь заключительным звеном. В наших лесах это лисы и волки, совы и орлы, иногда - медведи (но вообще-то они относятся к которые могут питаться и растительной, и животной пищей). В пищевой цепи могут принимать участие как один, так и несколько хищников, поедающих друг друга. Заключающим звеном, как правило, является наиболее крупный и наиболее сильный плотоядный. В лесу средней полосы эту роль может выполнять, например, волк. Таких хищников не слишком много, и их популяция ограничивается питательной базой и энергетическими запасами. Так как, согласно закону сохранения энергии, при переходе питательных веществ от одного звена к последующему может утратиться до 90% ресурса. Наверное, поэтому численность звеньев большинства пищевых цепей не может превышать пяти.
Падальщики
Они питаются останками других организмов. Как ни странно, но их в природе леса также довольно много: от микроорганизмов и насекомых до птиц и млекопитающих. Многие жуки, к примеру, используют в качестве пищи трупы других насекомых и даже позвоночных. А бактерии способны разлагать умершие тела млекопитающих за довольно короткое время. Организмы-падальщики играют в природе огромную роль. Они уничтожают материю, преобразуя ее в неорганические вещества, высвобождают энергию, используя ее для своей жизнедеятельности. Если бы не падальщики, то, наверное, все земное пространство было бы покрыто телами умерших за все времена животных и растений.
в лесу
Чтобы составить цепь питания в лесу, необходимо знать о тех обитателях, кто проживает там. А также о том, чем эти животные могут питаться.
- Кора березы - личинки насекомых - мелкие птицы - хищные птицы.
- Палая листва - бактерии.
- Гусеница бабочки - мышь - змея - еж - лиса.
- Желудь - мышь - лиса.
- Зерновые - мышь - филин.
Есть и подлиннее: палая листва - бактерии - черви дождевые - мыши - крот - еж - лиса - волк. Но, как правило, количество звеньев не больше пяти. Цепь питания в еловом лесу немного отличается от аналогичных в лиственном.
- Семена злаков - воробей - дикая кошка.
- Цветы (нектар) - бабочка - лягушка - уж.
- Еловая шишка - дятел - орлан.
Пищевые цепочки иногда могут сплетаться между собой, образуя и более сложные, многоуровневые структуры, объединяющиеся в единую экосистему леса. К примеру, лиса не брезгует питаться и насекомыми и их личинками, и млекопитающими, таким образом, несколько пищевых цепей пересекаются.
В живой природе практически нет живых организмов, которые не поедали бы других существ или не являлись бы для кого-либо пищей. Так, растениями питаются многие насекомые. Сами насекомые являются добычей для более крупных существ. Те или иные организмы являются звеньями, из которых формируется пищевая цепь. Примеры такой "зависимости" можно встретить повсеместно. При этом в любой такой структуре существует первый исходный уровень. Как правило, это зеленые растения. Какие существуют примеры пищевых Какие организмы могут являться звеньями? Как происходит взаимодействие между ними? Об этом далее в статье.
Общая информация
Пищевая цепь, примеры которой будут приведены ниже, представляет собой определенный набор микроорганизмов, грибов, растений, зверей. Каждое звено находится на своем уровне. Построена эта "зависимость" по принципу "еда - потребитель". На вершине многих цепей питания стоит человек. Чем в той или иной стране выше плотность населения, тем меньше звеньев будет содержаться в природной последовательности, так как люди вынуждены в таких условиях чаще питаться растениями.
Количество уровней
Как происходит взаимодействие внутри экологических пирамид?
Как действует пищевая цепь? Примеры, приведенные выше, показывают, что каждое следующее звено должно стоять на более высоком уровне развития, нежели предыдущее. Как уже было сказано, взаимоотношения в любой экологической пирамиде строятся на принципе "еда-потребитель". За счет поедания одними организмами других осуществляется перенос энергии от низших уровней к высшим. В результате происходит в природе.
Пищевая цепь. Примеры
Условно можно выделить несколько видов экологических пирамид. Существует, в частности, пастбищная пищевая цепь. Примеры, которые можно увидеть в природе, представляют собой последовательности, где перенос энергии осуществляется от низших (простейших) организмов до высших (хищников). К таким пирамидам, в частности, можно отнести следующие последовательности: "гусеницы-мыши-гадюки-ежи-лисы", "грызуны-хищники". Другая, детритная пищевая цепь, примеры которой будут приведены далее, представляет собой последовательность, в которой биомасса не употребляется хищниками, а имеет место процесс гниения с участием микроорганизмов. Считается, что начинается эта экологическая пирамида с растений. Так, в частности, выглядит пищевая цепь леса. Примеры можно привести следующие: "опавшие листья-гниение с участием микроорганизмов", "мертвые (хищные)-хищники-многоножки-бактерии".
Продуценты и консументы
В крупном водоеме (океане, море) планктонные являются пищей для ветвистоусых рачков (животных фильтраторов). Они, в свою очередь, представляют собой добычу для хищных личинок комаров. Этими организмами питается определенный вид рыб. Их поедают более крупные хищные особи. Данная экологическая пирамида - пример пищевой цепи моря. Все организмы, выступающие в качестве звеньев, находятся на разных трофических уровнях. На первой ступени находятся продуценты, на следующей - консументы первого порядка (потребители). К третьему трофическому уровню относятся потребители 2-го порядка (первичные плотоядные). Они, в свою очередь, служат пищей для вторичных хищников - потребителей третьего порядка, и так далее. Как правило, экологические пирамиды суши включают в себя три-пять звеньев.
Открытый водоем
За шельфовым морем, в том месте, где склон материка более-менее круто обрывается по направлению к глубоководной равнине, берет начало открытое море. В этой зоне преимущественно синяя и прозрачная вода. Связано это с отсутствием неорганических взвешенных соединений и меньшим объемом микроскопических планктонных растений и животных (фито- и зоопланктона). На некоторых участках гладь воды отличается особенно яркой синей окраской. Например, В таких случаях говорят о так называемых океанских пустынях. В этих зонах даже на глубине тысячи метров при помощи чувствительной аппаратуры можно обнаружить следы света (в сине-зеленом спектре). Открытому морю присуще полное отсутствие в составе зоопланктона различных личинок донных организмов (иглокожих, моллюсков, ракообразных), количество которых по мере отдаления от берега резко снижается. Как на мелководье, так и на широких просторах в качестве единственного источника энергии выступает солнечный свет. В результате фотосинтеза фитопланктон при помощи хлорофилла формирует органические соединения из углекислого газа и воды. Так образуются так называемые первичные продукты.
Звенья пищевой цепи моря
Синтезированные водорослями органические соединения передаются косвенно либо прямо всем организмам. Вторым звеном пищевой цепи в море являются животные фильтраторы. Организмы, составляющие фитопланктон, обладают микроскопически малыми размерами (0.002-1мм). Часто они формируют колонии, но и их размер не превышает пяти миллиметров. Третьим звеном являются плотоядные животные. Они питаются фильтраторами. В шельфовых, как и в открытых морях, таких организмов достаточно много. К ним, в частности, относятся сифонофоры, гребневики, медузы, веслоногие рачки, щетинкочелюстные, каринариды. Среди рыб к фильтраторам следует отнести сельдей. Их основной пищей являются формирующие в северных акваториях большие скопления. Четвертым звеном считаются хищные крупные рыбы. Некоторые виды имеют промысловое значение. К конечному звену следует также отнести головоногих моллюсков, зубатых китов и морских птиц.
Перенос питательных веществ
Передача органических соединений внутри пищевых цепей сопровождается существенными потерями энергии. Это главным образом обусловлено тем, что большая ее часть тратится на обменные процессы. Около 10% энергии преобразуется в вещество тела организма. Поэтому, например, анчоус, питающийся планктонными водорослями и входящий в структуру исключительно короткой пищевой цепи, может развиваться в таких огромных количествах, как это происходит в Перуанском течении. Перенос пищи в сумеречную и глубинную зону из светлой обусловлен активными вертикальными миграциями зоопланктона и отдельных видов рыб. Перемещающиеся вверх-вниз животные в разное время суток оказываются на различных глубинах.
Заключение
Следует сказать, что линейные пищевые цепи являются достаточно редким явлением. Чаще всего экологические пирамиды включают в себя популяции, принадлежащие сразу к нескольким уровням. Одни и те же виды могут употреблять в пищу и растения, и животных; плотоядные могут питаться как консументами первого, так и второго и следующих порядков; многие животные употребляют живые и отмершие организмы. В связи со сложностью звеньевых связей, выпадение какого-либо вида зачастую практически не сказывается на состоянии экосистемы. Те организмы, которые принимали выпавшее звено в пищу, могут вполне найти другой источник питания, а еду исчезнувшего звена начинают употреблять другие организмы. Так в целом сообщество сохраняет равновесие. Устойчивее будет та экологическая система, в которой присутствуют более сложные цепи питания, состоящие из большого количества звеньев, включающих в себя множество разных видов.
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.
Перенос энергии в экосистеме осуществляется через так называемые пищевые цепи . В свою очередь, пищевая цепь - это перенос энергии от ее первоначального источника (обычно им являются автотрофы) через ряд организмов, путем поедания одних другими. Пищевые цепи подразделяются на два вида:
Сосна обыкновенная => Тли => Божьи коровки => Пауки =>Насекомоядные
птицы => Хищные птицы.
Трава => Травоядные млекопитающие => Блохи => Жгутиконосцы.
2) Детритная пищевая цепь. Она берет свое начало от мертвого органического вещества (т.н. детрита ), которое либо потреблятеся в пищу мелкими, преймущественно беспозвоночными животными, либо разлагается бактериями или грибами. Организмы, потребляющие мертвое органическое вещество, называются детритофагами , разлагающие его - деструкторами .
Пастбищная и детритная пищевые цепи обычно существуют в экосистемах совместно, но один из видов пищевых цепей почти всегда доминирует над другим. В некоторых же специфических средах (например в подземной), где из-за отсутствия света невозможна жизнедеятельность зеленых растений, существуют только детритные пищевые цепи.
В экосистемах пещевые цепи не изолированы друг от друга, а тесно переплетены. Они составляют так называемые пищевые сети . Это происходит потому, что каждый продуцент имеет не одного, а нескольких консументов, которые, в свою очередь, могут иметь несколько источников питания. Взаимосвязи внутри пищевой сети наглядно иллюстрирует приведенная ниже схема.
Схема пищевой сети.
В пищевых цепях образуются так называемые трофические уровни . Трофические уровни классифицируют организмы в пищевой цепи по типам их жизнедеятельности или по источникам получения энергии. Растения занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные (консументы первого порядка) относятся ко второму трофическому уровню, хищники, поедающие травоядных, образуют третий трофический уровень, вторичные хищники - четвертый и т.д. первого порядка.
Поток энергии в экосистеме
Как нам известно, перенос энергии в экосистеме осуществляется через пищевые цепи. Но далеко не вся энергия предыдущего трофического уровня переходит на следующий. В качестве примера можно привести следующую ситуацию: чистая первичная продукция в экосистеме (то есть количество энергии, накопленное продуцентами) составляет 200 ккал/м^2, вторичная продуктивность (энергия, накопленная консументами первого порядка) равна 20 ккал/м^2 или 10% от предыдущего трофческого уровня, энергия же следующего уровня составляет 2 ккал/м^2, что равно 20% от энергии предыдущего уровня. Как видно из данного примера, при каждом переходе на более высокий уровень теряется 80-90% энергии предыдущего звена пищевой цепи. Подобные потери связаны с тем, что значительная часть энергии при переходе с одной ступени на другую не усваивается представителями следующего трофического уровня или превращается в тепло, недоступное для использования живыми организмами.
Универсальная модель потока энергии.
Поступление и расход энергии можно рассмотреть с помощью универсальной модели потока энергии . Она применима к любому живому компоненту экосистемы: растению, животному, микроорганизмам, популяции или трофической группе. Подобные графические модели, соединенные между собой, могут отражать пищевые цепи (при последовательном соединении схем потока энергии нескольких трофических уровней образуется схема потока энергии в пищевой цепи) или биоэнергетику в целом. Поступившая в биомассу энергия на схеме имеет обозначение I . Однако, часть поступившей энергии, не подвергается превращнию (на рисунке обозначена, как NU ). Например, это происходит в случае, когда часть света, проходящего через растения, не поглощается ими, или когда часть пищи, проходящей через пищеварительный тракт животного, не усваивается его организмом. Усвоенная (или ассимилированная ) энергия (обозначенная за A ) используется для различных целей. Она тратитися на дыхание (на схеме-R ) т.е. на поддержание жизнедеятельности биомассы и на продуцирование органического вещества (P ). Продукция, в свою очередь, принимате различные формы. Она выражается в энергетических затратах на рост биомассы (G ), в различных выделениях органического вещетсва во внешнюю среду (E ), в запасе энергии организмом (S ) (примером подобного запаса являются жировые накопления). Запасенная энергия образует на схеме так называемую рабочую петлю , так как данная часть продукции используется для обеспечения энергией в будущем (напимер, хищник использует свой запас энергии для поиска новых жертв). Оставшаяся часть продукции представляет собой биомассу (B ).
Универсальную модель потока энергии можно интерпретировать двояко. Во-первых она может представлять популяцию какого-либо вида. В данном случае каналы потока энергии и связи рассматриваемого вида с другими видами представляют собой схему пищевой цепи. Другая интерпритация трактует модель потока энергии как изображение какого-либо энергетического уровня. Тогда прямоугольник биомассы и каналы потока энергии представляют все популяции, поддерживаемые одним и тем же источником энергии.
Для того, чтобы наглядно показать различие подходов трактовки универсальной модели потока энергии можно рассмотреть пример с популяцией лис. Часть рациона лисиц составляет растительность (плоды и т.д.), другую же часть составляют травоядные животные. Чтобы подчеркнуть аспект внутрипопуляционной энергетики (первая интерпритация энергетической модели), всю популяцию лис следует изобразить в виде одного прямоугольника, если же нужно распределить метаболизм (метаболизм - обмен веществ, интенсивность обмена веществ) популяции лис на два трофических уровня, то есть отобразить соотношение ролей растительной и животной пищи в обмене веществ, необходимо построить два или несколько прямоугольников.
Зная универвальную модель потока энергии, можно определить отношение величин энергетического потока в разных точках пищевой цепи.Выраженные в процентах, эти отношения называют экологической эффективностью . Существует несколько групп экологических эффективностей. Первая группа энергетических отношений: B/R и P/R . Доля энергии, расходущейся на дыхание, велика в популяциях крупных организмов. При стрессовом воздействии внешней среды R возрастает. Величина P значительна в активных популяциях мелких организмов (например водорослей), а также в системах, получающих энергию извне.
Следующая группа отношений: A/I и P/A . Первое из них называется эффективностью ассимиляции (т.е. эффективностью использования поступившей энергии), второе - эффективностью роста тканей . Эффективность ассимиляции может варьироваться от 10 до 50% и выше. Она может либо достигать малой величины (при ассимиляции энергии света растениями), либо иметь большие значения (при ассимиляции энергии пищи животными). Обычно эффективность ассимиляции у животных зависит от их пищи. У растительноядных животных она достигает 80% при поедании семян, 60% при использовании в пищу молодой листвы, 30-40% - более старых листьев, 10-20% при питании древесиной. У хищных животных эффективность ассимиляции составляет 60-90%, так как животоная пища гораздо легче усваивается организмом, чем растительная.
Эффективность роста тканей также широко варьируется. Наибольших значений она достигает в тех случаях, когда организмы имеют небольшие размеры и условия среды их обитания не требуют больших энергетических затрат на поддержание оптимальной для роста организмов температуры.
Третья группа энергетических отношений: P/B . Если рассматривать P как скорость прироста продукции, P/B представляет собой отношение продукции в конкретный момент времени к биомассе. Если расчитывается продукция за определенный промежуток времени, значение отношения P/B определяется исходя из средней за этот промежуток времени биомассы. В данном случае P/B является безразмерной величиной и показывает, во сколько раз продукция больше или меньше биомассы.
Следует отметить, что на энергетические характеристики экосистемы оказывает влияние размеры организмов, населяющих экосистему. Установлена зависимость между размером организма и его удельным метаболизмом (метаболизмом на 1г. биомассы). Чем мельче организм, тем выше его удельный метаболизм и, следовательно, тем меньше биомасса, которая может поддерживаться на данном трофическом уровне экосистемы. При одинаковом количестве использованной энергии организмы больших размеров накапливают большую биомассу, чем мелкие. Например, при равном значении потребленной энергии, биомасса, накопленная бактериями, будет гораздо ниже биомассы, накопленной крупными организмами (наприемр млекопитающими). Иная картина открывается при рассмотрении продуктивности. Так как продуктивность - это скорость прироста биомассы, то она больше у мелких жвотных, которые имеют более высокие темпы размножения и обновления биомассы.
В связи с потерей энергии внутри пищевых цепей и зависимостью метаболизма от размера особей, каждое биологическое сообщество приобретает определеную трофическую структуру, которая может служить характеристикой экосистемы. Трофическая структура характеризуется или урожаем на корню, или количеством энергии, фиксируемой на единицу площади в единицу времени каждым последующим трофическим уровнем. Трофическую структуру можно изобразить графически в виде пирамид, основанием у которых служит первый трофический уровень (уровень продуцентов), а последующие трофические уровни образуют "этажи" пирамиды. Выделяют три типа экологических пирамид.
1) Пирамида численности (на схеме обозначена цифрой 1) Она отображает количество отдельных организмов на каждом из трофических уровней. Численность особей на разных трофических уровнях зависит от двух основных факторов. Первый из них - более высокий уровень удельного метаболизма у мелких животных по сравнению с крупными, что позволяет им иметь численное превосходство над крупными видами и более высокие темпы размножения. Другой из вышеназванных факторов - существование у хищных животных верхнего и нижнего предела размера их жертв. Если жертва намного крупнее хищника по размерам, то он будет не в состоянии ее одолеть. Добыча же небольшого размера не сможет удовлетворить энергетических потребностей хищника. Поэтому для каждого хищного вида существует оптимальный размер жертв Однако, для данного правила существуют исключения (например, змеи с помощью яда убивают животных, превышающих их по размерам). Пирамиды чисел могут быть обращены "острием" вниз в том случае, если продуценты намного превосходят первичных консументов по своим размерам (примером может служить экосистема леса, где продуцентами являются деревья, а первичными консументами - насекомые).
2) Пирамида биомассы (на схеме - 2). С ее помощью можно наглядно показать соотношения биомасс на каждом из трофических уровней. Она может быть прямой, если размер и срок жизни продуцентов достигает относительно больших величин (наземные и мелководные экосистемы), и обращенной, когда продуценты невелики по размеру и имеют короткий жизненный цикл (открытые и глубокие водоемы).
3) Пирамида энергии (на схеме - 3). Отражает величину потока энергии и продуктивность на каждом из трофических уровней. В отличии от пирамид численности и биомассы, пирамида энергии не может быть обращенной, так как переход энергии пищи на вышестоящие трофические уровни происходит с большими энергопотерями. Следовательно, суммарная энергия каждого предыдущего трофического уровня не может быть выше энергии последующего. Вышеприведеное рассуждение основано на использовании второго закона термодинамики, поэтому пирамида энергии в экосистеме служит его наглядной иллюстрацией.
Из всех названных выше трофических характеристик экосистемы только пирамида энергии дает наиболее полное представление об организации биологических сообществ. В пирамиде численности сильно преувеличена роль мелких организмов, а в пирамиде биомассы завышено значение крупных. В таком случае, данные критерии непригодны для сравнении функциональной роли популяции, сильно различающихся по значению отношения интенсивности метаболизма к размеру особей. По этой причине, именно поток энергии служит наиболее подходящим критерием для сравнения отдельных компонентов экосистемы между собой, а также для сравнения двух экосистем друг с другом.
Знание основных законов превращения энергии в экосистеме способствуют лучшему пониманию процессов функционрования экосистемы. Это особенно важно в связи с тем, что вмешательство человека в ее естественую "работу" может привести экологическую систему к гибели. В связи с этим, он должен уметь заранее предсказывать результаты своей деятельности, и представление об энергетических потоках в экосистеме сможет обеспечить большую точность этих предсказаний.
Любому живому существу на нашей планете для нормального развития необходимо питание. Питание — это процесс поступления энергии и необходимых химических элементов в живой организм. Источником питания для одних животных служат другие растения и животные. Процесс перехода энергии и питательных веществ от одного живого организма к другому происходит путем поедания одних другими. Одни животные и растения служат пищей для других. Таким образом, энергия может передаваться через несколько звеньев.
Совокупность всех звеньев в этом процессе называется цепью питания . Пример пищевой цепочки можно увидеть в лесу, когда птица съест червяка, а потом сама станет пищей для рыси.
Все виды живых организмов, в зависимости от того, какое место они занимают, делятся на три вида:
- продуценты;
- консументы;
- редуценты.
Продуцентами являются живые организмы , которые самостоятельно вырабатывают питательные вещества. Например, растения или водоросли. Для выработки органических веществ продуценты могут использовать солнечный свет или простые неорганические соединения, такие как углекислый газ или сероводород. Такие организмы ещё называются автотрофными. Автотрофы являются первым звеном любой пищевой цепочки и составляют её основу, а энергия, полученная этими организмами, поддерживает каждое следующее звено.
Консументы
Консументы это следующее звено . Роль консументов выполняют гетеротрофные организмы, то есть те, которые не вырабатывают самостоятельно органические вещества, а используют в пищу другие организмы. Консументов можно разделить на несколько уровней. Например, к первому уровню относятся все травоядные животные, некоторые виды микроорганизмов, а также планктон. Грызуны, зайцы, лоси, кабаны, антилопы и даже бегемоты — все относятся к первому уровню.
Ко второму уровню относят мелких хищников, таких как: дикие кошки, норки, хорьки, рыбы, питающиеся планктоном, совы, змеи. Эти животные служат пищей для консументов третьего уровня — более крупных хищников. Это такие животные, как: лиса, рысь, лев, ястреб, щука и др. Таких хищников называют ещё высшими. Высшие хищники необязательно поедают только тех, кто находится на предыдущем уровне. Например, мелкая лиса может стать добычей ястреба, а рысь может охотиться и на грызунов, и на сов.
Редуценты
Это такие организмы, которые перерабатывают продукты жизнедеятельности животных и их мертвую плоть в неорганические соединения. К ним относятся некоторые виды грибов, бактерии гниения . Роль редуцентов в том, чтобы замкнуть круговорот веществ в природе. Они возвращают в почву и воздух воду и простейшие неорганические соединения, которые используют продуценты для своей жизнедеятельности. Редуценты перерабатывают не только умерших животных, но и например, опавшие листья, которые начинают гнить в лесу или сухую траву в степи.
Трофические сети
Все пищевые цепочки существуют в постоянной взаимосвязи друг с другом. Совокупность нескольких пищевых цепей составляет трофическую сеть . Это своеобразная пирамида, состоящая из нескольких уровней.Каждый уровень образуют определенные звенья цепи питания. Например, в цепочках:
- муха — лягушка — цапля;
- кузнечик — змея — сокол;
Муха и кузнечик будут относиться к первому трофическому уровню, змея и лягушка ко второму, а цапля и сокол к третьему.
Виды пищевых цепей: примеры в природе
Они разделяются на пастбищные и детритные. Пастбищные цепи питания распространены в степях и в мировом океане. Началом этих цепей служат продуценты. Например,трава или водоросли. Дальше идут консументы первого порядка, например, травоядные животные или малюски и мелкие ракообразные, питающиеся водорослями. Далее в цепи идут мелкие хищники, такие как, лисы, норки, хорьки, окуни, совы. Замыкают цепь суперхищники, такие как, львы, медведи, крокодилы. Суперхищники не являются добычей для других животных, но после своей гибели служат пищевым материалом для редуцентов. Редуценты участвуют в процессе разложения останков этих животных.
Детритные цепи питания берут свое начало от гниющих органических веществ. Например, от разлагающейся листвы и оставшейся травы или от опавших ягод. Такие цепи распространены в лиственных и смешанных лесах. Опавшие гниющие листья — мокрица — ворон. Вот пример такой пищевой цепи. Большинство животных и микроорганизмов могут одновременно являться звеньями обоих видов пищевых цепочек. Примером этого может служит дятел, питающийся жучками, которые разлагают мертвое дерево. Это представители детритной цепи питания А сам дятел может стать добычей уже для мелкого хищника, например, для рыси. Рысь может охотиться ещё и на грызунов — представителей пастбищной цепи питания.
Любая пищевая цепь не может быть очень длинной. Это связано с тем, что на каждый последующий уровень передается только 10% энергии предыдущего уровня. Большинство из них состоит от 3 до 6 звеньев.
