1.2 Пищевые цепи

Существование любого биоценоза возможно только при постоянном притоке энергии. По существу, вся жизнь на Земле существует за счет энергии солнечного излучения, которая переводится фотосинтезирующими организмами в химические связи органических веществ. Гетеротрофы по­лучают энергию с пищей. Все живые существа являются объектами питания других живых существ, то есть связаны между собой энергетическими отношениями. Пищевые связи в сообществах — это механизм передачи энергии от одного организма к другому или другим.

В каждом сообществе трофические связи переплетены в сложную сеть, так как организмы любого вида являют­ся потенциальными объектами для пищи многих других видов.

Например, врагами тлей служат личинки и жуки божь­их коровок, личинки мух, пауки, насекомоядные птицы и многие другие животные. За счет дубов в лиственных лесах могут жить несколько сотен форм различных членистоно­гих, фитонематод, паразитических грибков и т.д.; хищни­ки обычно легко переключаются с одного вида на другой. Некоторые хищники могут потреблять в определенной мере и растительную пищу.

Трофические сети в биоценозах очень сложны. Однако первое впечатление о том, что энергия в трофических се­тях может долго мигрировать от одного организма к дру­гому, обманчиво. На самом деле путь каждой конкретной порции энергии, накопленной растениями, короток, он мо­жет передаваться не более, чем через 4 — 5 звеньев, состо­ящих из последовательно питающихся друг другом орга­низмов.

Устойчивые цепи взаимосвязанных видов, последователь­но извлекающих материалы и энергию из исходного пище­вого вещества, называются цепями питания.

Место каждого звена в цепи питания называют трофиче­ским уровнем. Первый трофический уровень — это всегда про­дуценты (первичные), растения, создатели органического вещества, био­массы; второй трофический уровень составляют травоядные животные — потребители или консументы 1 порядка; потре­бители травоядных животных — плотоядные — составляют следующий трофический уровень, являются консументами 2 порядка; потребители плотоядных форм относятся к консументам 3 порядка и т.д. по трофической цепи. При этом име­ет значение пищевая специализация организмов-консументов. Виды с широким спектром питания могут включаться в пищевую цепь на различных трофических уровнях. Напри­мер, человек в рацион которого входят и растительная и жи­вотная пища, может явиться в разных пищевых цепях консументом первого, второго и третьего порядков.

Последний уровень обычно занимают редуценты или детритофаги. Редуцентами называют сапрофитные организмы, разлагающие сложные органические соединения до относительно простых неорганических веществ. Кусочки частично разложившегося материала называют детритом, а мелких животных питающихся им - детритофагами (например: дождевой червь, мокрица, личинка падальной мухи и др.). Ниже приводится характеристика каждого звена пищевой цепи, а их последовательность показана на рисунке 1.

рис.1

   В пищевой цепи зеленые растения - это те организмы, которые создают начальное органическое вещество, используя энергию Солнца. Лишь только около 1% энергии, падающей на растения, превращается в потенциальную энергию химических связей синтезированных органических веществ и может быть использовано в дальнейшем при питании гетеротрофными организмами. При потреблении этой пищи животными организмами только 5-20% энергии пищи переходит во вновь построенное тело животного, остальная часть энергии, содержащейся в зеленом растении, расходуется на различные процессы жизнедеятельности животного, превращаясь в тепло и рассеиваясь. При поедании травоядного животного хищником часть накопленной энергии также расходуется. Вследствие потери полезной энергии цепи питания не могут быть очень длинными, чаще такая цепь состоит из 3-5 звеньев (трофических уровней). Поэтому на каждом последующем трофическом уровне количество образующегося органического вещества резко уменьшается из-за потери энергии.

Важно подчеркнуть, что энергия не циркулирует в экосистемах, а передаётся от автотрофов к консументам, а затем к деструкторам. На каждом этапе основная её часть рассеивается в форме тепла, в конечном итоге возвращающегося в мировое пространство в виде инфракрасного излучения.

Обычно различают три типа трофических цепей.

Пищевая цепь хищников начинается с растений и переходит от мелких организмов к организмам всё более крупных размеров. На суше пищевые цепи состоят из трёх-четырёх звеньев (потому что количество пищи, остающееся в конце более длинной цепи, слишком мало).

Одна из простейших цепей имеет вид:

Растение > Овца > Человек (продуцент) (травоядное) (плотоядное)

Часто встречаются два уровня пищевой цепи плотоядных:

Дуб > Гусеница > Синица > Ястреб-перепелятник (продуцент) (травоядное) (плотоядное I) (плотоядное II)

В морской среде пищевые цепи хищников всегда длиннее, чем в наземных экосистемах.

Пищевая цепь паразитов отличается от предыдущих и идёт от крупных организмов к мелким. В некоторых случаях один паразит может развиваться внутри тела второго, что часто встречается у беспозвоночных, когда эндопаразиты являются основным естественным фактором, ограничивающим число хозяев. У насекомых, например, гиперпаразитизм очень сильно развит и часто пищевая цепь организована следующим образом:

Сосна > Гусеница > Бракониды> Наездники (растение) (травоядное) (паразит) (гиперпаразит)

Вокруг каждого вида насекомого – фитофага, питающегося растениями, формируется целый зооценоз (сообщество животных организмов) паразитов и хищников, образующих многочисленные пищевые цепи, в которых хозяин является начальным звеном.

В сапрофитных (сапрофиты – организмы (животные, грибы, бактерии), питающиеся органическим веществом отмерших организмов) пищевых цепях, в которых движение материи имеет тенденцию к разрушению, существенную роль играют лиственные леса, большая часть листвы которых не употребляется в пищу травоядными и входит в состав подстилки из опавших листьев. Эти листья измельчаются многочисленными животными сапрофагами, потом заглатываются земляными червями, которые осуществляют равномерное распределение гумуса в поверхностном слое земли. На этом уровне у грибов закладывается мицелий, а разлагающие микроорганизмы, завершающие цепь, производят окончательную минерализацию мертвой органики.

В действительности все три типа пищевых цепей всегда сосуществуют в экосистеме таким образом, что различные представители сообщества объединены многочисленными пересекающимися пищевыми связями, а все вместе они образуют трофическую сеть биоценоза.

Можно изобразить цепь питания графически, отложив в одном масштабе одну над другой количество особей, биомассу или энергию её звеньев. Получится ступенчатая диаграмма, напоминающая пирамиду. Её так и называют экологической пирамидой, или пирамидой питания.

Аналогичным образом, можно построить пирамиды биомасс и пирамиды энергии.

Ламотт (1969) предложил свой принцип построения экологической пирамиды. Он предложил изображать энергию, приходящую на каждый трофический уровень, прямоугольником с высотой, пропорциональной времени, в течение которого энергия аккумулировалась. Это даёт одновременное представление о динамических и статических аспектах трофической структуры экосистем.

В структуре и функции экосистемы воплощены все виды активности всех организмов, входящих в данное биологическое сообщество, – их взаимодействия с физической средой и друг с другом. Следует, однако, постоянно помнить, что организмы живут для самих себя, а не для того, чтобы играть ту или иную роль в экосистеме.

Свойства экосистемы слагаются из деятельности всех входящих в неё растений и животных; лишь учитывая это, мы можем прийти к пониманию её структуры и функции. Хотя мы и считаем микроорганизмы «примитивными», человек и другие так называемые «высшие» организмы не могли бы жить без «дружественных» микробов: быстро приспосабливаясь к меняющимся условиям, они обеспечивают «тонкую настройку», поддерживающую стабильность экосистемы.

Все экосистемы, даже самая крупная – биосфера, являются открытыми системами: они должны получать и отдавать энергию. Кроме того, они в разной степени открыты для потоков веществ, для иммиграции и эмиграции организмов. Поэтому концепция экосистемы должна учитывать существование связанных между собой и необходимых для функционирования и самоподдержания экосистемы среды на входе и среды на выходе.

Масштабы изменений среды на входе и на выходе очень сильно варьируют и зависят от нескольких переменных, например:

от размеров системы (чем она больше, тем меньше зависит от внешних частей)

от интенсивности обмена (чем он интенсивнее, тем больше приток и отток)

от сбалансированности автотрофных и гетеротрофных процессов (чем сильнее нарушено это равновесие, тем больше должен быть приток извне для его восстановления)

от стадии и степени развития системы (молодые системы отличаются от зрелых).

Следовательно, для обширной, поросшей лесом горной местности перепад между средой на входе и средой на выходе значительно меньше, чем у небольшого ручья или у города.

Для биосферы в целом важнейшее значение имеет отставание процесса полной гетеротрофной утилизации и разложения продуктов автотрофного метаболизма от процесса их создания, поскольку именно отставание обусловило накопление в недрах горючих ископаемых, а в атмосфере – кислорода.

Таким образом, крайнюю озабоченность должна вызывать деятельность человека, который хотя и ненамеренно, но очень значительно ускоряет процессы разложения:

сжигая органическое вещество, накопленное в горючих ископаемых

ведя интенсивное сельское хозяйство, ускоряющее разложение гумуса

сводя леса во всём мире и сжигая древесину.

В результате всех этих видов деятельности в воздух выбрасывается СО2, до того фиксированная в угле, нефти, древесине и в гумусе мощных лесных почв. Возможные последствия этого – изменение климата.