Пищевая цепь: определения, звенья, составление схем и примеры

Проверим знания

    Ключевые вопросы

1. Чем отличаются пастбищные цепи от детритных? 2. Что такое трофический уровень? Почему один и тот же организм может относиться к разным трофическим уровням в разных цепях питания? 3. Благодаря чемупастбищные и детритные цепи в экосистеме образуют сеть питания? Какова ее роль в устойчивости экосистемы? *4. Составьте пастбищную цепь питания, выбрав нужные звенья из следующих компонентов: осина, дятел, береза, синица, аист, гусеница пяденицы березовой, коршун. *5. Составьте детритную цепь питания, выбрав нужные звенья из следующих компонентов: змея, погибшая птица, почвенные бактерии, личинки мух, лягушка травяная, плесневые грибы, минеральные вещества.

    Сложные вопросы

*1. Установите соответствие между типами цепей питания и их возможными пищевыми звеньями.Цепи питания: 1. Пастбищные. 2. Детритные. Пищевые звенья: а) заяц; б) лягушка остромордая; в) плесневые грибы; г) стрекоза; д) многоножка; е) осина; ж) фитопланктон; з) плотва; и) червь дождевой; к) лось; л) мокрица; м) жук мертвоед; н) луговые злаки; о) почвенные бактерии. 2. Постройте пищевую сеть березовой рощи. Сеть должна состоять из четырех трофических уровней, каждый из которых должен содержать не менее трех компонентов. *3. В степных районах проводилось истребление сусликов путем разбрасывания отравленной приманки. Помимо сусликов, гибли и лисицы, не поедавшие эту приманку. Объясните с экологической точки зрения причины гибели лисиц. *4. В 1953 г. в одном японском селении люди начали болеть непонятной болезнью, которая поражала нервную систему. Врачи поставили диагноз: отравление ртутью. Поселок находился рядом с морским заливом, куда химический завод сбрасывал свои отходы, содержащие ртуть. Но содержание ртути в морской воде было ничтожным. Объясните, откуда взялась ртуть в организме людей.

*Индивидуальное домашнее задание. Используя полученную ранее информацию о функциональных группах организмов в близлежащей экосистеме (лес, поле, озеро, парк и др.), составьте возможные варианты пастбищных цепей в этой экосистеме. Учитывая разнообразие трофических связей консументов, составьте из полученных пастбищных цепей пищевую сеть для данной биологической системы. 

1.1 Группы организмов, участвующие в биогеоцинозе

Биотический круговорот происходит в природной системе, объединяющей на основе обмена веществ и энергии сообщество живых организмов (биоценоз) с неживыми компонентами — условиями обитания. Такая система получила название биогеоценоз (греч. geo — земля). В ней обмен веществом и энергией обеспечивается взаимодействием трех групп организмов.

Первая группа — продуценты, или производители (от лат. produsent— производить). К ним относятся автотрофные организмы, производящие пищу в процессе фото- или хемосинтеза, т. е. первичные органические вещества.

Вторая группа представлена консументами, т. е. потребителями (от лат. consume — потреблять), — гетеротрофными организмами, главным образом животными, поедающими другие организмы. Различают первичных консументов (животных, питающихся зелеными растениями, травоядных) и вторичных консументов (хищников, плотоядных, которые поедают растительноядных). Вторичный консумент может служить источником пищи для другого хищника — консумента третьего порядка и т. д.

Третья группа — редуценты, или деструкторы (reducens — возвращать). Это гетеротрофные организмы, разлагающие органические остатки всех трофических уровней (остатки пищи, мертвые организмы). К ним относятся грибы, бактерии, беспозвоночные (например, черви). Минеральные вещества и диоксид углерода, образующиеся при деятельности редуцентов, опять поступают в воду, воздух и почву, а затем — в распоряжение продуцентов.

Рисунок 1.1. Схема трансформации энергии в биоцинозе

Что такое пищевая сеть?

• Пищевая сеть состоит из множества связанных друг с другом пищевых цепей.
• Пищевая сеть похожа на пищевую цепь, но она намного больше, чем пищевая цепь.
• Иногда один организм поедается множеством хищников, или он ест много других организмов. Из-за этого многие трофические уровни становятся связанными.
• Пищевая цепь не лучшим образом показывает, как движется энергия. Но пищевая сеть способна показать, как течет энергия, потому что она показывает, как разные организмы взаимодействуют друг с другом.
• Пищевая сеть становится более сложной, когда между различными пищевыми цепями возникает больше взаимодействий. Чем сложнее пищевая сеть, тем она стабильнее.

Пищевой сети

Выпас против детритных пищевых сетей

• В большинстве пищевых сетей нет разложителей. Возможно, вы заметили, что описанная выше пищевая сеть озера Онтарио не работает. Тем не менее всем экосистемам нужны способы избавиться от отходов и мертвых вещей.
• Итак, разлагатели вокруг, даже если им не уделяется много внимания.
• Например, в экосистеме луга, показанной ниже, есть пастбищная пищевая сеть, состоящая из растений и животных, которая питает детритную пищевую сеть, состоящую из бактерий, грибов и детритофагов.
• Коричневая полоса в нижней части диаграммы представляет собой упрощенную версию детритной паутины. На самом деле он состоял бы из разных видов, связанных тем, как они едят, подобно стрелам в пастбищной пищевой сети над землей.
• Когда червяк съеден, например, малиновкой, он дает энергию для пасущейся пищевой сети.

Деструкторы

Немаловажную роль в экосистеме и структуре пищевого взаимодействия выполняют представители группы деструкторов или разрушителей. Данную группу составляют редуценты, перерабатывающие неживые органические соединения и превращающие их в неорганические вещества. Деструкторы занимают нишу отдельного трофического этапа в природе. Их роль состоит в переработке разлагающихся растений и останков погибших животных. Характерными представителями редуцентов являются классы грибов и бактерий, играющих, в свою очередь, большое значение в деятельности экосистем. С их помощью почва получает питание и воду, используемую представителями продуцентов.

Наконец, деструкторы в виде сапрофагов и бактерий используют энергию мертвых растений и животных. На этом этапе потребляется наибольшее количество запасенной живыми существами энергии. Разложение органической массы происходит в двух направлениях: распад углеводов в процессе минерализации до диоксида углерода, аммиака и воды; образование гумуса в почве под влиянием микроорганизмов.

Воз­вращая в почву или в водную среду биогенные элементы, они, тем самым, завершают биохимический круговорот. Функционально деструкторы — это те же самые гетеротрофы (консументы), поэтому их часто называют микроконсументами.

Длина пищевой цепи

Длина пищевой цепи представляет собой непрерывную переменную, показывающую, как энергия перемещается от низшего к высшему трофическому (кормовому) уровню. Это также показатель структуры экосистемы.

В экологическом моделировании часто используются пищевые цепи (например, пищевая цепь из трех видов). Это упрощенные версии настоящих пищевых сетей, но то, как они работают, и стоящие за ними математические вычисления сложны.

Экологи выдвинули и проверили гипотезы о природе экологических паттернов, связанных с длиной пищевой цепи

Например, они думали, что длина пищевой цепи увеличивается с размером экосистемы, что энергия уменьшается на каждом уровне или что длинные пищевые цепи нестабильны.
Изучение пищевой цепи является важной частью экотоксикологических исследований, в которых изучается, как загрязняющие вещества перемещаются в окружающей среде и как они влияют на живые существа.
Организмы, которые используют энергию солнца или химические вещества для производства крахмала, называются продуцентами.
Каждая сеть продуктов питания должна начинаться с производителя. В глубоком море, где нет солнечного света, пищевые цепи выстраиваются вокруг гидротермальных жерл и холодных источников.

Хемосинтетические бактерии и археи использовать сероводород и метан из гидротермальных источников и холодных источников в качестве источника энергии, точно так же, как растения используют солнечный свет для производства углеводов

Они находятся в самом низу пищевой цепи.
Организмы, поедающие другие организмы, называются консументами. Первый организм в пищевой цепи — единственный, который не ест.
Длина пищевой цепи важна, потому что количество энергии, передаваемой с одного трофического уровня на другой, уменьшается по мере увеличения числа трофических уровней. Обычно только 10% всей энергии одного трофического уровня переходит на следующий, потому что остальная часть используется в метаболическом процессе. В большинстве пищевых цепей насчитывается не более пяти трофических уровней.
Люди могут получить больше энергии, вернувшись на один уровень назад в пищевой цепочке и съев пищу, которая была раньше. Например, салат дает больше энергии на фунт, чем салат-латук для животного.
Насколько хорошо работает пищевая цепь, зависит от того, сколько энергии нужно первым производителям. Производитель отдает энергию первому потребителю, который затем отдает ее второму и третьему потребителям.

Основные типы пищевых цепей и их классификация

В биологии принята классификация из двух основных типов пищевых цепей:

1. Детритные. Их отличие в том, что представители предыдущего звена не поедаются представителями последующего, а естественным образом отмирают, разлагаются под воздействием сапротрофных организмов, минерализуются, образуют органические останки. Позже эти останки переходят к питающимся ими микроорганизмам, животным.
2. Пастбищные. Представляют собой цепи выедания, составлены из автотрофных организмов, растительноядных животных, консументов 1, 2, 3, 4 порядка.

Самые длинные описания касаются океанских схем, где многие виды являются консументами 4 порядка.

Определение

Сапротрофными в науке называются организмы, превращающие останки живых существ в простейшие органические и неорганические соединения. К автотрофным относят организмы, способные синтезировать сложные органические вещества из различных неорганических соединений.

Консументы — это гетеротрофные организмы, потребляющие созданные автотрофами органические вещества.

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.

1.2 Трофическая структура экосистемы

В результате последовательности превращений энергии в пищевых цепях каждое сообщество живых организмов в экосистеме приобретает определенную трофическую структуру. Трофическая структура сообщества отражает соотношение между продуцентами, консументами (отдельно первого, второго и т.д. порядков) и редуцентами, выраженное или количеством особей живых организмов, или их биомассой, или заключенной в них энергией, рассчитанными на единицу площади в единицу времени.

Органическое вещество, производимое автотрофами, называется
первичной продукцией. Скорость накопления энергии первичными продуцентами называется
валовой первичной продуктивностью, а скорость накопления органических веществ –
чистой первичной продуктивностью. ВПП примерно на 20 % выше, чем ЧПП, так как часть энергии растения тратят на дыхание. Всего растения усваивают около процента солнечной энергии, поглощённой ими.

При поедании одних организмов другими вещество и пища переходят на следующий трофический уровень. Количество органического вещества, накопленного гетеротрофами, называется
вторичной продукцией. Поскольку гетеротрофы дышат и выделяют непереваренные остатки, в каждом звене часть энергии теряется. Это накладывает существенное ограничение на длину пищевых цепей; количество звеньев в них редко бывает больше 6. Отметим, что эффективность переноса энергии от одних организмов к другим значительно выше, чем эффективность производства первичной продукции. Средняя эффективность переноса энергии от растения к животному составляет около 10 %, а от животного к животному – 20 %. Обычно растительная пища энергетически менее ценна, так как в ней содержится большое количество целлюлозы и древесины, не перевариваемых большинством животных.

Такая последовательность и соподчиненность связанных в форме трофических уровней групп организмов представляет собой поток вещества и энергии в экосистеме, основу ее организации.

Изучение продуктивности экосистем важно для их рационального использования. Эффективность экосистем может быть повышена за счёт повышения урожайности, уменьшения помех со стороны других организмов (например, сорняков по отношению к сельскохозяйственным культурам), использования культур, более приспобленных к условиям данной экосистемы

По отношению к животным необходимо знать максимальный уровень добычи (то есть количество особей, которые можно изъять из популяции за определённый промежуток времени без ущерба для её дальнейшей продуктивности).

1.3 Типы пищевых цепей

Существует 2 основных типа трофических цепей — пастбищные и детритные.

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

Рисунок 1.2. Поток энергии через пастбищную пищевую цепь. Все цифры даны в кДж/м2
·год.

В схемах пищевых цепей каждый организм представлен питающимся организмами какого-то определённого типа. Действительность намного сложнее, и организмы (особенно, хищники) могут питаться самыми разными организмами, даже из различных пищевых цепей. Таким образом, пищевые цепи переплетаются, образуя
пищевые сети.

Рисунок 2. Пример пищевой сети

Пищевые сети служат основой для построения
экологических пирамид. Эту графическую модель разработал в 1927 г. американский зоолог Чарльз Элтон. Основанием пирамиды служит первый трофический уровень — уровень продуцентов, а следующие этажи пирамиды образованы последующими уровнями — консументами различных порядков. Высота всех блоков одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне. Различают три способа построения экологических пирамид.

Рисунок 3.1. Пример пищевой сети.

Экологические пирамиды

В экологии существует правило 10%, согласно которому с каждого трофического уровня на другой возможен переход лишь 10% энергии (оставшаяся часть энергии либо не усваивается, либо превращается в тепловую). Этим и объясняется ограниченная длина пищевых цепочек: слишком «затянувшиеся» не смогут переносить достаточный объём полезной энергии к последнему потребителю.

Соотношения между участниками экосистем можно изобразить графически в виде треугольника, где каждый трофический уровень будет занимать объём, определённый своей энергетической ценностью, то есть составить экологическую пирамиду.

Экологические пирамиды могут иметь разную форму: как треугольника с широким основанием, так и перевёрнутого (обращённого) треугольника. Первый вид характерен для простых цепей, в которых консументу более высокого порядка требуется большое количество консументов низшего порядка (или продуцентов). Пример такой цепочки питания животных: растения — зайцы — волки.

Примеры

В лиственных лесах

Здесь чаще всего встречается детритный трофический тип, известная часть энергообмена происходит за счет переработки микробактериями лесной подстилки.

Обычная цепь питания в широколиственных лесах составлена из трех-четырех ниш:

1. Семена деревьев — лесная мышь — филин. В такой схеме дерево — продуцент, консумент первого порядка — мышь поедает продукт, производимый им — семя, а ее в свою очередь ловит филин, чья кормовая база на 60 % состоит из мелких грызунов.
2. Кора дерева или кустарника — жук-короед — воробей — ястреб. Подобный вид сложнее — здесь присутствуют консументы трех разрядов. Растительная пища — кора — идет на корм членистоногому короеду. Он становится добычей маленькой насекомоядной пташки — такой, как воробей. Тот попадает в когти крупной хищной птицы — ястреба, питающегося маленькими собратьями и млекопитающими.
3. Травянистое растение — гусеница — большой жук (красотел пахучий) — синица — кобчик. Представленная линейка — одна из сложнейших в лесу. В ней находятся два типа насекомых — гетеротрофов, один из которых плотоядный.

Чем богаче видовое разнообразие в природной зоне, тем сложнее будут трофические пирамиды, обнаруженные на ее территории.

В смешанных лесах

Эта зона отличается широким ареалом обитания множества разновидностей живых существ.

Вот пара примеров:

1. Гриб — лось — медведь. Короткая, но вполне отражающая особенности местной флоры и фауны взаимосвязь. Грибы-автотрофы поглощаются фитофагом-лосем. В природе на столь мощного копытного осмеливается охотиться лишь еще более мощный зверь – медведь. Именно косолапый является венцом этой экосистемы, не имея естественных врагов.
2. Ель — жук-древоточец — дятел — сокол — клещ. В данном случае цепь замыкается на редуценте – паразите, питающемся кровью сокола. Первая часть последовательности схожа с предыдущей, вторая содержит насекомое-деструктора, относящегося к группе паразитирующих организмов. Их участие в круговороте веществ весьма характерно для лесных территорий.

Напоследок стоит отметить, что наличие в пищевой сети бактерий-сапрофагов — обычное явление для практически любого типа трофических связей в упомянутых экосистемах.

В хвойных лесах

Такие леса встречаются большей частью в природной зоне тайги и тундры.

Трофические связи здесь похожи на предыдущие:

1. Сосна – белка – лиса блоха. Четырехуровневая цепь изображает типичную для тайги взаимосвязь: белка питается семенами из сосновых шишек, и сама становится добычей для крупного млекопитающего – рыжей лисицы. А на шкуре хищницы заводятся паразиты – блохи, сосущие кровь.
2. Лишайник – олень – рысь. В северных лесах произрастают мхи и лишайники. Эти растения являются основой рациона оленей. На последних часто охотятся большие таежные кошки – рыси.
3. Перегной – детритные бактерии – одноклеточные – грибы – кабан – медведь. Подобные длинные цепочки характерны для хвойных угодий. В них участвуют микроскопические организмы в качестве консументов.

Кроме того, в такой экосистеме распространены именно детритные последовательности, поскольку процесс гниения животных и растительных останков крайне важен для нормальной жизнедеятельности лесов.

Пищевые цепи и сети

Пирамида биомасс и энергии. Правило Линдемана. Продуктивность экосистем

Перенос энергии пищи, созданной растениями, через ряд организмов путем поедания одних видов другими называется пищевой цепью. Каждое звено пищевой цепи получило название трофический уровень.

Каждый организм имеет несколько источников питания и сам используется как объект питания другими организмами пищевой цепи. Соответственно, цепи питания многократно разветвляются и переплетаются в сложные пищевые сети. Рассмотрим пример пищевой сети экосистемы тундры.

Следует обратить внимание на то, что в данной системе малое число видов организмов, поэтому будет медленно осуществляться круговорот веществ. Очень хорошо прослеживается, что многие животные питаются не на одном уровне, а на нескольких

Очень хорошо прослеживается, что многие животные питаются не на одном уровне, а на нескольких.

Каждая пищевая сеть состоит из нескольких цепей питания, которые бывают двух типов. Познакомимся на рисунке.

Следует отметить, что пастбищные цепи в экосистеме всегда берут начало с продуцентов. Особенность этих пищевых цепей считается увеличение размеров организмов при переходе с одного порядка на другой.

Детритные цепи в экосистеме начинаются с останков живых существ или их продуктов жизнедеятельности, то есть детрита. Самыми распространенными в лесах являются именно детритные пищевые цепи, так как большая часть продукции растительного организма не усваивается животными, а отмирает.

Первичная биологическая продуктивность экосистемы определяется фотосинтезом. Как правило, общая масса растений во много раз больше общей массы обитающих здесь растительноядных животных.

Масса каждого последующего звена в пищевых цепях биоценоза меньше массы предыдущего. Это объясняется тем, что не вся пища усваивается консументами. Рассмотрим на примере.

Из всего сказанного, было, разработано правило Линдемана или правило экологической пирамиды.

При решении экологических задач часто применяется правило Линдемана для построения и анализа экологических пирамид. Рассмотрим пример решения таких задач.

Можно выделить три типа экологической пирамиды:

1. Пирамида чисел отражает численность организмов на каждом трофическом уровне. На представленном рисунке видно, что для пирамиды характерно очень широкое основание и кверху идет сужение. Соответственно, численность продуцентов намного больше, чем консументов, находящихся на вершине пирамиды.

Пирамида биомассы показывает, как происходит изменение количества органического вещества, синтезированного на каждом из уровней.

Пирамида энергии отражает изменение скорости образования органического вещества.

Экологическая пирамида энергии всегда уменьшается кверху, то есть к консументам. На каждом уровне происходят потери энергии, которая рассеивается в виде тепла. Первоисточником энергии для продуцентов служит Солнце, благодаря которому происходит образование продукции.

Скорость прироста биомассы называется биологической продуктивностью экосистемы.

Продуктивность экосистемы может быть первичной, которая создается растительными организмами, и вторичной, образуемая животными организмами. Среднее значение первичной продуктивности экосистем составляет 3 т сухого вещества на 1 га в год. Однако продуктивность определяется многими факторами, и в первую очередь, видовым составом.

Материальный цикл

Вдоль всей цепочки консументы также потребляют подавляющее большинство питательных веществ, необходимых для создания биомассы. Оборот углерода непосредственно связан с оборотом энергии. Азот должен быть взят как часть белков, фосфор необходим для многих жизненно важных биологических функций (для синтеза ДНК и РНК). Сбалансированное потребление этих элементов может быть проблемой для травоядных. Например, древесина содержит много полезной энергии в форме восстановленного углерода (целлюлоза), но обычно мало пригодного для использования азота или фосфора.

Хотя биомасса, количество особей и доступная энергия резко уменьшаются с каждым уровнем трофея, ядовитые вещества и многочисленные загрязнители, могут накапливаться с каждым уровнем. Каждое животное на высоком уровне должно есть много добычи с более низких звеньев, чтобы удовлетворить свои энергетические потребности. В результате хищник поглощает все токсины, присутствующие в организме, от каждой жертвы. Поскольку человек находится в конце большинства цепей питания, в нем накапливается большое количество ядов, которые ранее не оказывали влияния на животных на более низких уровнях трофеев.