Функционирование экосистем. Трофические связи

Все компоненты экосистем обмениваются веществом и энергией друг с другом. Благодаря этому экосистемы нашей планеты поддерживают общий круговорот веществ и энергии в биосфере. Эта основная функция обеспечена трофическими (пищевыми) взаимоотношениями видов.

Круговорот веществ и энергии в экосистемах осуществляют четыре функционально-энергетических звена, между которыми существует тесная взаимосвязь и взаимозависимость (рис. 2. 7).

Рис. 2. 7. Передача вещества и энергии в экосистеме.

1 звено - абиотическое окружение. Сюда относится весь комплекс условий неживой природы, в том числе физические факторы (солнечная энергия, давление, теплота и др.) и химические факторы (вода, биогенные элементы, минеральные соли, газы), откуда биоценоз черпает средства жизни и куда выделяет продукты обмена.

2 звено - комплекс продуцентов. Они обеспечивают органическими веществами и запасенной энергией все живое население. Основная масса из них это автотрофы (синтезируют органические вещества за счет энергии Солнца) и к ним относятся фотосинтезирующие макро- и микроорганизмы. Автотрофами является подавляющее большинство растений. Среди микроорганизмов есть и хемотрофы (синтезируют органические вещества за счет энергии освобождающейся при химических реакциях).

3 звено - комплекс всевозможных организмов консументов (потребителей). Эти организмы являются гетеротрофами и живут за счет готовых органических веществ, которые создают продуценты. К ним относятся самые разнообразные организмы (от микроорганизмов до китов): простейшие, насекомые, пресмыкающиеся, рыбы, птицы и, млекопитающие (включая человека).

В связи с различиями в источниках питания консументы подразделяются на ряд подгрупп. Животные, питающиеся непосредственно продуцентами, называются первичными консументами (консументами первого порядка). Их самих употребляют в пищу вторичные консументы. Например, заяц, питающийся капустой, - это консумент первого порядка, а волк, охотящийся за зайцем, - консумент второго порядка. Возможны консументы и следующих порядков.

Кроме того, некоторые виды живых организмов могут быть отнесены к консументам разных порядков. Например, когда человек ест овощи - он консумент первого порядка, говядину - консумент второго порядка, а употребляя в пищу хищную рыбу, выступает в роли консумента третьего порядка.

Первичные консументы, питающиеся только растениями, называются растительноядными или фитофагами. Консументы второго и более высоких порядков называются плотоядными или зоофагами. Виды, употребляющие в пищу как растения, так и животных, относятся к всеядным, например, человек, медведь и др.

4 звено - комплекс редуцентов (разлагатели) и детритофагов. Основная функция этих организмов разложение органических соединений до минерального состояния. Последние возвращаются в почву и снова используются растениями для питания. Редуценты это своего рода санитары на Земле, которые замыкают биогеохимический круговорот веществ. Они представлены макро- и микроорганизмами (бактерии, грибы, простейшие). Детритофагами обычно называют макроорганизмы, которые питаются мертвыми растительными и животными остатками (детритом). Например, грифы, шакалы, черви, раки, термиты, муравьи и т.п. Различают первичных детритофагов, питающихся непосредственно детритом, вторичных и т. п.

Биологический круговорот веществ и энергии. Трофические цепи. Экологические пирамиды.

Скорость круговорота веществ и энергии в разных экосистемах неодинакова и зависит во многом от условий абиотической среды (температурного режима, количества влаги, освещенности количества минеральных веществ). Но еще большее влияние на скорость круговорота оказывают живые организмы, в одних звеньях ускоряя его, в других задерживая. Первоосновой биологического круговорота веществ и энергии всегда является процесс автотрофного биосинтеза (рис 2. 8).

Рис. 2. 8. Поток энергии через пастбищную пищевую цепь (цифры даны в кДж/м2·год.)

В результате фотосинтеза растения ежегодно образуют более 170 млрд. тонн органического вещества (на каждый гектар земной поверхности приходится около 3 тонн). При этом, поглощается лишь около половины всей поступающей энергии Солнца и не более 5 % ее в самых благоприятных условиях усваивается биотическим компонентом и превращается в продукт фотосинтеза. Органическая масса, создаваемая продуцентами в единицу времени, называется первичной продукцией. Разные экосистемы продуцируют неодинаковое количество органических веществ. Самыми продуктивными среди наземных экосистем являются леса, особенно тропические, а среди морских - рифы. Наименее продуктивны - пустыни, тундры и открытый океан (табл. 1-2).

Таблица 1.

Годовая первичная продуктивность наземных экосистем

(по П. Дювиньо и М. Тангу, 1986)

Таблица 2.

Годовая первичная продуктивность морских экосистем

Первичная продукция подразделяется на два уровня – валовую и чистую продукцию. Валовая первичная продукция – это общее количество созданного органического вещества, включая и траты на дыхание (растения на дыхание тратят от 40-до 70 % валовой продукции). Оставшаяся, после расходов на дыхание и корневые выделения, часть называется чистой первичной продукцией.

Синтезированная масса в виде белков, жиров, углеводов и других органических соединений расходуется на дыхание растений, потребляется консументами, перерабатывается редуцентами, а также захоранивается в виде залежей торфа, угля или сланцев, которые накапливаются в большом количестве.

Первичная продукция, захваченная консументами в виде корма, расходуется ими на процессы жизнедеятельности и идет на построение вторичной продукции (т. е. биомассы фитотрофов). Часть первичной продукции возвращается в окружающую среду в виде экскрементов, выделений и трупов. Запасенные в фитотрофах масса и энергия (в количестве примерно до 20 %) передаются следующему уровню потребителей, обеспечивая их существование, разнообразие и численность.

Вещества, вышедшие в окружающую среду, могут быть вновь вовлечены в круговорот живыми организмами.

Таким образом, экосистемы поддерживает свою жизнедеятельность благодаря, наличию в окружающей среде энергии Солнца и способности живых организмов улавливать и концентрировать эту энергию, а использовав - рассеивать в окружающую среду.

Все продуценты, консументы и редуценты – составляют общую биомассу (живой вес) сообщества в целом или его отдельных частей, тех или иных групп организмов. Биомассу обычно выражают через сырой и сухой вес, но можно выражать и в энергетических единицах - калориях, джоулях и т. п. (табл. 3).

Таблица 3.

Биомасса организмов Земли

Пути движения веществ в экосистемах, при которых один организм поедается другим, тот третьим и т.д. получили название – пищевые цепи (трофические цепи, цепи питания). Последние объединяют все организмы в единый комплекс. Термин «цепи питания» предложен Ч. Элтоном (1934).

Трофические цепи достаточно разнообразны. Существуют два главных типа пищевых цепей – пастбищные и детритные.

Пастбищные цепи (цепи выедания) начинаются с поедания фотосинтезирующих организмов, т.е. ведут от продуцентов к первичным консументам (фитофагам), далее к вторичным консументам (зоофагам), третичным и т.д., затем следуют редуценты и детрифофаги. Например, капуста → гусеница → синица → лиса.

Детритные цепи (цепи разложения) начинаются с детрита. Например, листовая подстилка → дождевой червь → черный дрозд → ястреб-перепелятник; мертвое животное → личинки падальных мух → травяная лягушка → обыкновенный уж.

Пищевые цепи чаще всего состоят из 4-6 звеньев (сосна®тля®божья коровка®паук®насекомоядная птица®хищная птица).

В природе «идеальную» цепь питания можно наблюдать только в случае, если все консументы, входящие в нее употребляют один вид пищи (что довольно редко). В основном животные используют несколько пищевых источников. Поэтому в природе трофические цепи связаны между собой в трофические сети (рис. 2. 9).

Рис. 2. 9. Трофическая сеть луга (по Р. Риклефсу, 1979); цифрами обозначены трофические уровни).

Кроме того, продуценты, консументы и детритофаги относят к тем или иным трофическим уровням (таб. 4). Обычно в экосистемах 3-4 трофических уровня.

Таблица 4.

Соотношения вещества и энергии в пищевой цепи

«люцерна-теленок-ребенок»

Органические вещества и энергия переходят с одного трофического уровня на другой лишь частично, т. к. на каждом уровне организмы расходуют эти ресурсы на процессы жизнедеятельности. Поэтому энергия, содержащаяся в органических веществах, а также суммарная масса и численность организмов по мере перехода по трофическим уровням уменьшается в геометрической прогрессии. Эта закономерность была впервые сформулирована и графически представлена английским биологом и экологом Ч. Элтоном (1927) в виде правила экологических пирамид. Основанием пирамиды служит уровень продуцентов, а следующие уровни питания образуют этажи и вершину пирамиды (рис 2. 10).

Рис. 2. 10. Упрощенный вариант экологической пирамиды.

Известны три основных типа экологических пирамид: пирамида чисел, отражающая численность организмов на каждом уровне; пирамида массы, характеризующая массу живого вещества (общий сухой вес, калорийность и т.д.); пирамида энергии, показывающая изменение первичной энергии на последующих трофических уровнях (рис. 2. 11).

Рис. 2. 11. а – пирамида биомасс; б – пирамида чисел; в – пирамида энергии.

Пирамида чисел отражает закономерность о том, что количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается.

Пирамида биомасс свидетельствует о том, что суммарная масса растений превышает всех травоядных, а масса последних превышает всю биомассу хищников. На каждом трофическом уровне биомасса уменьшается на 90-99 %. Причина снижения биомассы заключается в том, что большая часть потребляемой пищи используется организмами на получение энергии и всего лишь небольшая для построения тел.

Если собрать в кучу всю траву Африки, то она будет огромна по сравнению с кучей, образованной всеми кузнечиками, антилопами, зебрами, носорогами и другими травоядными животными Африки. А кучки львов, гепардов и гиен, можно просто не заметить рядом с кучами травы и растительноядных животных.

Согласно пирамиде энергии от низших трофических уровней к высшим теряется количество энергии (доходит лишь 10 % энергии).

Поиск по сайту: