Пастбищные и детритные цепи. Трофические уровни

Основное условие существования экосистемы — это поддержание круговорота веществ и превращения энергии. Оно обеспечивается благодаря трофическим (пищевым) связям между видами, относящимися к разным функциональным группам. Именно на основе этих связей органические вещества, синтезированные продуцентами из минеральных веществ с поглощением солнечной энергии, передаются консументам и претерпевают химические превращения. В результате жизнедеятельности преимущественно редуцентов атомы основных биогенных химических элементов переходят из органических веществ в неорганические (СО₂, NH₃, H₂S, H₂O). Затем неорганические вещества используются продуцентами для создания из них новых органических веществ. А они снова с помощью продуцентов вовлекаются в круговорот. Если бы эти вещества не использовались многократно, жизнь на Земле была бы невозможна. Ведь запасы веществ, поглощаемых продуцентами, в природе не безграничны. Для осуществления полноценного круговорота веществ в экосистеме должны быть в наличии все три функциональные группы организмов. И между ними должно происходить постоянное взаимодействие в виде трофических связей с образованием трофических (пищевых) цепей, или цепей питания.

Цепь питания (пищевая цепь) — последовательность организмов, в которой происходит поэтапный перенос вещества и энергии от источника (предыдущего звена) к потребителю (последующему звену).

При этом один организм может поедать другой, питаться его отмершими остатками или продуктами жизнедеятельности. В зависимости от вида исходного источника вещества и энергии цепи питания подразделяют на два типа: пастбищные (цепи выедания) и детритные (цепи разложения).

Пастбищные цепи (цепи выедания) — пищевые цепи, которые начинаются с продуцентов и включают консументов разных порядков. В общем виде пастбищную цепь можно показать следующей схемой:

Продуценты -> Консументы I порядка -> Консументы II порядка -> Консументы III порядка

Например: 1) пищевая цепь луга: клевер луговой — бабочка — лягушка — змея; 2) пищевая цепь водоема: хламидомонада — дафния — пескарь — судак. Стрелки в схеме показывают направление переноса вещества и энергии в цепи питания.

Каждый организм в цепи питания относится к определенному трофическому уровню.

Трофический уровень — совокупность организмов, которые в зависимости от способа их питания и вида корма составляют определенное звено пищевой цепи.

Трофические уровни принято нумеровать. Первый трофический уровень составляют автотрофные организмы — растения (продуценты), на втором трофическом уровне находятся растительноядные животные (консументы I порядка), на третьем и последующих уровнях — плотоядные животные (консументы II, III и т. д. порядков).

В природе почти все организмы питаются не одним, а несколькими видами корма. Следовательно, любой организм может находиться на разных трофических уровнях в одной и той же пищевой цепи в зависимости от характера корма. Например, ястреб, питаясь мышами, занимает третий трофический уровень, а поедая змей — четвертый. Кроме того, один и тот же организм может быть звеном разных пищевых цепей, связывая их между собой. Так, ястреб может съесть ящерицу, зайца или змею, которые входят в состав разных цепей питания.

В природе пастбищные цепи в чистом виде не встречаются. Они связаны между собой общими пищевыми звеньями и образуют пищевую сеть, или сеть питания. Ее наличие в экосистеме способствует выживанию организмов при недостатке определенного вида корма благодаря возможности использовать другой корм. И чем шире видовое разнообразие особей в экосистеме, тем больше пищевых цепей в составе пищевой сети и тем устойчивее экосистема. Выпадение одного звена из цепи питания не нарушит всей экосистемы, так как могут быть использованы источники питания из других пищевых цепей.

Детритные цепи (цепи разложения) — пищевые цепи, которые начинаются с детрита, включают детритофагов и редуцентов и заканчиваются минеральными веществами. В детритных цепях происходит перенос вещества и энергии детрита между детритофагами и редуцентами через продукты их жизнедеятельности.

Например: погибшая птица — личинки мух — плесневые грибы — бактерии — минеральные вещества. Если детрит не требует механического разрушения, то он сразу превращается в перегной с последующей минерализацией.

Благодаря детритным цепям в природе замыкается круговорот веществ. Отмершие органические вещества в детритных цепях превращаются в минеральные, которые поступают в среду, а из нее поглощаются растениями (продуцентами).

Пастбищные цепи преимущественно располагаются в надземных, а цепи разложения — в подземных ярусах экосистем. Взаимосвязь пастбищных цепей с детритными осуществляется через детрит, попадающий в почву. Детритные цепи связаны с пастбищными через минеральные вещества, извлекаемые из почвы продуцентами. Благодаря взаимосвязи пастбищных и детритных цепей в экосистеме формируется сложная пищевая сеть, обеспечивающая постоянство процессов превращения вещества и энергии.

Экологические пирамиды

Процесс превращения вещества и энергии в пастбищных цепях имеет определенные закономерности.
каждом трофическом уровне пастбищной цепи не вся съеденная биомасса идет на образование биомассы консументов данного уровня. Значительная ее часть затрачивается на процессы жизнедеятельности организмов: движение, размножение, поддержание температуры тела и т. д. Кроме того, часть корма не усваивается и в виде продуктов жизнедеятельности попадает в окружающую среду. Другими словами, большая часть вещества и содержащейся в нем энергии при переходе от одного трофического уровня к другому теряется. Процент усвояемости сильно варьирует и зависит от состава пищи и биологических особенностей организмов. Многочисленные исследования показали, что на каждом трофическом уровне пищевой цепи теряется в среднем около 90 % энергии, и только 10 % переходит на следующий уровень. Американский эколог Р. Линдеман в 1942 г. сформулировал эту закономерность как правило 10 %. Используя это правило, можно рассчитать количество энергии на любом трофическом уровне цепи питания, если ее показатель известен на одном из них. С некоторой степенью допущения это правило используют и для определения перехода биомассы между трофическими уровнями.

Если на каждом трофическом уровне пищевой цепи определить число особей, или их биомассу, или количество заключенной в ней энергии, то станет очевидным уменьшение этих величин по мере продвижения к концу цепи питания. Эту закономерность впервые установил английский эколог Ч. Элтон в 1927 г. Он назвал ее правилом экологической пирамиды и предложил выражать графически. Если любую из вышеуказанных характеристик трофических уровней изобразить в виде прямоугольников с одинаковым масштабом и расположить их друг над другом, то получится экологическая пирамида.

Известны три типа экологических пирамид. Пирамида чисел отражает численность особей в каждом звене пищевой цепи. Однако в экосистеме второй трофический уровень (консументы I порядка) численно может быть богаче первого трофического уровня (продуцентов). В этом случае получается перевернутая пирамида чисел. Это объясняется участием в таких пирамидах особей, не равноценных по размерам. Примером может служить пирамида чисел, состоящая из лиственного дерева, листогрызущих насекомых, мелких насекомоядных и крупных хищных птиц. Пирамида биомассы отражает количество органического вещества, накопленного на каждом трофическом уровне пищевой цепи. Пирамида биомассы в наземных экосистемах правильная. А в пирамиде биомассы для водных экосистем биомасса второго трофического уровня, как правило, больше биомассы первого при определении ее в конкретный момент. Но поскольку водные продуценты (фитопланктон) имеют высокую скорость образования продукции, то в конечном итоге их биомасса за сезон все равно будет больше биомассы консументов I порядка. А это значит, что в водных экосистемах также соблюдается правило экологической пирамиды. Пирамида энергии отражает закономерности расходования энергии на разных трофических уровнях.

Таким образом, запас вещества и энергии, накопленный растениями в пастбищных пищевых цепях, быстро расходуется (выедается), поэтому эти цепи не могут быть длинными. Обычно они включают от трех до пяти трофических уровней.

В экосистеме продуценты, консументы и редуценты связаны трофическими связями и образуют цепи питания: пастбищные и детритные. В пастбищных цепях действует правило 10 % и правило экологической пирамиды. Можно построить три типа экологических пирамид: чисел, биомассы и энергии.

Источник: jbio.ru

Вам уже известны автотрофный и гетеротрофный типы питания организмов. Теперь мы остановимся на экологической роли этих организмов в природе. Сначала обратим внимание на их цепи питания.

 

1. Продуценты (лат. producentis — «производящий, создающий») — автотрофы, т. е. из неорганических веществ они образуют органическое вещество. Эти продукты являются пищей для всех остальных организмов. К ним относятся водоросли, покрытосеменные и голосеменные растения, а также хемосинтетические бактерии.

2. Консументы (лат. consumo — «потреблять») — организмы, питающиеся готовой органической пищей. Консументы передают пищу от одного организма к другим. Они, в свою очередь, составляют пищевую цепь. Первую группу составляют консументы первого порядка (заяц, овца, коза), которые превращают органические вещества в вещества животного происхождения. А остальная часть в процессе диссимиляции превращается в неорганические вещества. Консументы второго порядка — хищники.

3. Редуценты (лат. reducentis — «возвращать») — гетеротрофные организмы. Главная их функция заключается в превращении органических веществ в неорганические. Это бактерии, грибы, мельчайшие невидимые организмы. Некоторые редуценты питаются растительными остатками, их называют детритофагами. Редуценты завершают цепь питания в системе «растения — животное — почва» среди организмов, и этот цикл возобновляется. В этом процессе преимущество редуцентов закономерно, так как чрезмерное увеличение консументов на Земле привело бы к нарушению природного равновесия. Этот процесс изображен на схеме 5.

 

 

Схема 5

Направление пищевой цепи

 

Пищевые цепи — результат развития органического мира. Благодаря пищевым цепям существует связь между организмами и неживой природой, процессами жизнедеятельности (рис. 69).

 

 

Рис. 69. Цепи питания экосистемы

 

Разрыв какого-либо звена в пищевой цепи приводит к разрушению равновесия в биоценозе. Через пищевые цепи в природе протекают обмен веществ и поток энергии. Но для функционирования пищевой цепи необходим приток энергии Солнца. При каждом переносе от продуцентов к консументам солнечная энергия постепенно теряет часть энергии, к редуцентам — энергия полностью теряется. Таким образом, происходит круговорот веществ. Необходимым условием существования жизни является наличие организмов, создающих органические вещества из организмов, использующих эти вещества и превращающих их в неорганические.

Одним из особых свойств является продуктивность. Продуктивность — это биомасса, производимая популяцией на единице площади на определенной территории. Этот процесс происходит в природе с различной скоростью, поэтому она измеряется продуктивностью за сезон, год, несколько лет во времени. Для наземных организмов она определяется количеством биомассы на единицу площади — 1 м2, 10 м2, 100 м2, а для водных организмов на единицу объема — 1 м3, 10 м:! чистого веса органического вещества.

Но биологическую продуктивность нельзя путать с биомассой. Биомасса биоценоза не дает полной информации о биологической продуктивности, так как скорость накопления биомассы биоценозов неравномерна. Биоценоз определяется не только биомассой, но и продуктивностью. Например, мелкие грызуны по сравнению с крупными имеют высокий темп размножения, тем самым показывают более высокую продуктивность при одинаковой биомассе.

Продуктивность каждой популяции за определенное время показывает совокупность воспроизводства всех особей. Биологическая продуктивность популяции представлена следующей формулой:

 

 

 

где Р — продуктивность; В1 и В2 — первичная и вторичная биомасса; Е — приход и расход.

Этот показатель называется чистой продукцией. Валовая продукция определяется чистой продукцией и расходом затрачиваемой энергии на обмен веществ. Автотрофные организмы ассимилируют первичную продукцию, а гетеротрофы — вторичную. Микроорганизмы разлагают органические вещества и переводят их в исходное состояние.

Наряду с первичной и вторичной продуктивностью большую роль играет конечная продуктивность. Конечная продукция биоценоза обычно исключается из данной экосистемы, т. е. выводится за ее пределы, например урожай сельскохозяйственных культур.

При переходе с одного трофического уровня на другой продуктивность организмов, по известной вам закономерности — правило экологических пирамид, уменьшается. Основная нижняя часть пирамиды начинается с продуцентов и завершается редуцентами (самая низкая биомасса или ноль). Каждый организм в цепи образует трофический уровень. Число уровней в пищевой цепи не превышает пяти. Вам давно известны типы пирамид: энергии и чисел.

Правило пирамид характерно не для всех экосистем. Например, в морях и океанах идет обратный процесс.

 

1-я схема. Правило пирамид:

10 г — 4-трофический уровень (редуцент)

1 кг — 3-трофический уровень (консумент 2)

100 кг — 2- трофический уровень (консумент 1)

10т — 1-трофический уровень (продуцент)

1.По типу питания организмов различают продуценты, консументы и редуценты.

2.Обмен вещества и энергии организмов осуществляется по цепи питания.

3.Разрыв одного звена в цепи питания приводит к нарушению равновесия следующего звена.

4.Огромную роль в сельском хозяйстве играет учет биологической продуктивности.

5.Согласно правилу пирамид пищевая цепь при переходе с одного трофического уровня на другой сопровождается падением ее общей биомассы и уменьшением энергии.

1.Что такое автотрофные и гетеротрофные организмы.?

2.Какова роль продуцентов?

3.Какую роль выполняют консументы?

1.  Объясните на примере роль разлагателей в обмене веществ.

2.Покажите схему цепи питания: растение — насекомое — ящерица — змея — хищная птица.

1.  Опишите роль продуцентов в обмене веществ.

2.Покажите схематично систему цепи питания.

3.Вспомните и расскажите по схеме о правиле экологических пирамид.

Постройте схему пищевых связей следующих организмов:

1.  Пшеница, озеро, лягушка, змея, жук, воробей, беркут, волк, бактерия.

2. Ячмень, бактерия, сокол, лисица, человек.

3.  Кузнечик, змея, еж, беркут, бактерия.

Источник: bioslogos.ru

Структура пищевой цепи

Пищевая цепь представляет собой связную линейную структуру из звеньев, каждое из которых связано с соседними звеньями отношениями «пища — потребитель». В качестве звеньев цепи выступают группы организмов, например, конкретные биологические виды. Связь между двумя звеньями устанавливается, если одна группа организмов выступает в роли пищи для другой группы. Первое звено цепи не имеет предшественника, то есть организмы из этой группы в качестве пищи не использует другие организмы, являясь продуцентами. Чаще всего на этом месте находятся растения, грибы, водоросли. Организмы последнего звена в цепи не выступают в роли пищи для других организмов.

Каждый организм обладает некоторым запасом энергии, то есть можно говорить о том, что у каждого звена цепи есть своя потенциальная энергия. В процессе питания потенциальная энергия пищи переходит к её потребителю. При переносе потенциальной энергии от звена к звену до 80-90 % теряется в виде теплоты. Данный факт ограничивает длину цепи питания, которая в природе обычно не превышает 4-5 звеньев. Чем длиннее трофическая цепь, тем меньше продукция её последнего звена по отношению к продукции начального.

Трофическая сеть

Обычно для каждого звена цепи можно указать не одно, а несколько других звеньев, связанных с ним отношением «пища — потребитель». Так, траву едят не только коровы, но и другие животные, а коровы являются пищей не только для человека. Установление таких связей превращает пищевую цепь в более сложную структуру — трофическую сеть.

Трофический уровень

Трофический уровень — это совокупность организмов, которые, в зависимости от способа их питания и вида корма, составляют определённое звено пищевой цепи.

В некоторых случаях в трофической сети можно сгруппировать отдельные звенья по уровням таким образом, что звенья одного уровня выступают для следующего уровня только в качестве пищи. Такая группировка называется трофическим уровнем.

Типы пищевых цепей

Существуют 2 основных типа трофических цепей — пастбищные и детритные.

В пастбищной трофической цепи (цепь выедания) основу составляют автотрофные организмы, затем идут потребляющие их (консументы) растительноядные животные (например, зоопланктон, питающийся фитопланктоном), потом хищники 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 распространённых 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 (органических останков), идут к микроорганизмам, которые им питаются, а затем к детритофагам и к их потребителям — хищникам. В водных экосистемах (особенно в эвтрофных водоёмах и на больших глубинах океана) часть продукции растений и животных также поступает в детритные трофические цепи.

Наземные детритные цепи питания более энергоёмки, поскольку большая часть органической массы, создаваемой автотрофными организмами, остаётся невостребованной и отмирает, формируя детрит. В масштабах планеты, на долю цепей выедания приходится около 10 % энергии и веществ, запасённых автотрофами, 90 % же процентов включается в круговорот посредством цепей разложения.

См. также

• Экологическая пирамида

Источник: dic.academic.ru