Тема 4. Экология сообществ (синэкология)

4.3 Пищевая цепь. Пирамида численности

---

Жизнь любого организма поддерживается благодаря связям с другими живыми существами. Наиболее важное значение имеют пищевые или трофические (трофо – питание) связи, благодаря которым осуществляется непрерывный вещественно-энергетический обмен между живым и неживым веществом природы.

По способу питания все организмы подразделяются на:

• Автотрофы (сам) – осуществляют превращение неорганических веществ в органические (зелёные растения и микроорганизмы).
• Гетеротрофы (разный) – используют для питания готовые органические вещества (растения паразиты, грибы, микроорганизмы, животные, человек).
• Существуют организмы со смешанным типом питания – миксотрофы (смешивать).

По механизму превращения неорганических веществ в органические выделяют:

• Фототрофы (фотосинтез) – зелёные растения, сине-зелёные водоросли и др.
• Хемотрофы (хемосинтез) – серные бактерии и др.

Среди гетеротрофов выделяют три категории организмов:

• Нектогитрофы (мёртвый) убивают объект питания (человек, хищники).
• Биотрофы (живой) – питаются за счёт других животных организмов (паразиты, кровососы и др.).
• Сапротрофы (гниль) – питаются отмершей органикой.

Первые организмы на Земле были гетеротрофами. Они быстро исчерпали бы себя, если бы не появились автотрофы. При наличии этих групп организмов стал возможен примитивный круговорот веществ:

Автотрофы синтезируют органические вещества, а гетеротрофы их потребляют. При этом происходит расщепление органических веществ. Если продукты расщепления вновь используются автотрофами, возникает круговорот веществ и энергии между организмами.

Используя солнечную энергию и вещества из атмосферы, воды и почвы, растения синтезируют органические соединения. Эти соединения служат растениям строительным материалом, из которого они образуют свои ткани, и источником энергии, необходимой для поддержания своих функций. Для высвобождения запасенной ими химической энергии гетеротрофы разлагают органические соединения на исходные неорганические компоненты: оксид углерода, воду, нитраты, фосфаты и др., завершая тем самым круговорот веществ.

По отношению к трофическим (пищевым) связям организмы подразделяют на:

• Продуценты (производители первичной продукции) – организмы-автотрофы – представляют комплекс зелёных растений, обеспечивающих органическим веществом всё живое население нашей планеты.
• Консументы (потребляю) – организмы-гетеротрофы, потребляющие органические вещества, созданные продуцентами (животные, микроорганизмы, насекомоядные растения).
• Редуценты – (восстановители) – организмы, разлагающие органические вещества и превращающие их в неорганические вещества, усваиваемые другими организмами (бактерии, грибы, сапрофаги, копрофаги, некрофаги – питаются органическими остатками и др.). Они являются завершающим звеном биологического кругооборота веществ.

Поток энергии в сообществе – это её переход от организмов одного уровня к другому в форме химических связей органических соединений (пищи). Поток вещества – перемещение вещества в форме химических элементов и их соединений от продуцентов к редуцентам и далее через химические реакции, происходящие без участия живых организмов, вновь к продуцентам.

Поток вещества происходит по замкнутому циклу, поэтому его называют круговоротом.

Энергия передаётся от организма к организму, создающих пищевую или трофическую цепь.

Пищевая цепь – перенос энергии, заключённой в растительной пище - поскольку лишь растения создают органическое вещество из неорганического – через ряд организмов в процессе их поедания друг другом.

Например, растение – растительноядное насекомое – хищное насекомое – насекомоядная птица хищная птица.

Трофический уровень – это место каждого звена в пищевой цепи. Положение организма в пищевой цепи характеризуется его удалённостью от основного источника поступающей в сообщество энергии. Первый трофический уровень – продуценты. Второй – растительноядные консументы. Третий – плотоядные консументы, питающиеся растительноядными формами. Четвёртый – консументы, потребляющие других плотоядных и т.д.

Различают два типа пищевых цепей:

Пастбищная цепь

 

Детридная цепь

Пищевые цепи не изолированы друг от друга, а тесно переплетены. Они составляют так называемые пищевые сети. Принцип образования пищевых сетей состоит в следующем. Каждый продуцент использует не одного, а несколько консументов. В свою очередь, консументы, среди которых преобладают полифаги (много), пользуются не одним, несколькими источниками питания.

Пищевая цепь является основным каналом переноса энергии в сообществе. По мере удаления от первичного продуцента поток энергии резко ослабевает – количество энергии уменьшается. Это объясняется рядом причин:

1. Перенос энергии с одного уровня на другой никогда не бывает полным, так как не вся энергия, содержащаяся в пище, бывает доступна хищнику. Часть энергии теряется в процессе преобразования тканей жертвы в ткани хищника (при поедании её хищником), а часть вообще не усваивается организмом хищника и выводится из него с экскрементами.

2. Устойчивые взаимосвязи между хищниками и жертвами не позволяют первым полностью выедать популяции, за счёт которых они существуют. Эффективность переноса энергии от жертвы к хищнику ослаблена выработанной тактикой избегания хищника.

3. Много энергии, полученной с пищей, тратится на работу которую выполняет животное, перемещаясь, охотясь, строя гнездо, в результате которых происходит выделение тепла. Падение количества энергии при переходе с одного трофического уровня на другой определяет число этих уровней и соотношение хищников и жертв, поэтому число трофических уровней редко превышает три-четыре.

В результате взаимодействия в пищевых цепях при переносе энергии каждое сообщество приобретает определённую трофическую структуру – определяется количеством энергии, фиксируемой на единицу площади в единицу времени на последовательных уровнях.

Изображается графически в виде экологических пирамид, основанием которых служит первый уровень, а последующие уровни образуют этажи и вершину пирамиды. Данное явление было изучено Ч. Элтаном в 1927 г. различают три типа пирамид.

Пирамида чисел (число особей на м ²)отражает численность организмов на разных трофических уровнях. В случае пастбищных пищевых цепей леса, когда продуцентом служит дерево, а первичными консументами – насекомые, уровень первичных консументов численно богаче особями уровня продуцентов в этом случае пирамиду чисел называют обращённой.

Пирамида биомасс – характеризует общую сухую массу живого вещества на разных трофических уровнях (сухая масса органических веществ г/мм²).

В экосистемах с очень мелкими продуцентами и крупными консументами общая масса последних может быть в любой момент выше общей массы продуцентов т.е. пирамида биомасс тоже может быть обращённой.

Пирамида энергий (Дж/м²•год) показывает величину энергетического потока или «продуктивность» на последовательных трофических уровнях. Энергетическая пирамида всегда сужается к верху при условии, что учтены все источники энергий поступающей в систему с пищей.

Из трёх типов экологических пирамид, пирамида энергий даёт нам наиболее полное представление о функциональной организации сообщества. Число и масса организмов, которых может поддерживать какой-либо трофический уровень в тех или иных условиях, зависит не от количества фиксированной энергии, имеющейся в данное время на предыдущем уровне, а от скорости продуцирования пищи.

В противоположность пирамидам чисел и биомасс, отражающим статистику системы, пирамида энергий отражает картину скоростей прохождения массы пищи через пищевую цепь.На форму этой пирамиды не влияют изменения размеров и интенсивности метаболизма особей, и, если учтены все источники энергии, пирамида всегда имеет правильную форму в соответствии со вторым законом термодинамики.

Построение пирамиды чисел и пирамиды биомасс без пирамиды энергий может привести к неверной оценке функциональной роли популяций, сильно различающихся интенсивностью метаболизма, т.е. размерами особей. Данные по численности приводят к переоценке значения мелких организмов, а данные по биомассе – к переоценке роли крупных организмов.

Размеры и сложность системы лимитируются затратами энергий на самоподдержание. Рост систем прекращается если расход энергии на самоподдержание становится равным её поступлению. Количество биомассы, которое может поддерживаться в условиях такого равновесия, называется максимальной поддерживающей ёмкостью среды. Считается, что оптимально поддерживающая ёмкость, способная противостоять изменениям окружающей среды, ниже теоретически максимальной в 2 раза.

Например, оптимально поддерживающая ёмкость Земли находится в пределах 8,5 – 13,5 млрд. человек.

Возвращаясь к пирамиде энергии, можно дать определение очень важному закону пирамиды энергий, согласно которому с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой переходит не более 10% энергии. Этот закон сформулирован в 1942 г. Р. Линдеманом. Его следствием является ограниченная длина пищевых цепей. Из закона вытекает, что максимальный переход с одного трофического уровня на другой порядка 10% энергии не ведёт к пагубным для экосистемы последствиям.

Исследование правила 10% позволяет определять возможный и безопасный объём промысла особей.