25. Пищевые связи. Круговорот веществ и поток энергии в экосистемах

Определения и обозначения

Пищевая цепь — последовательность организмов, связанных отношениями питания. Стрелка в ней направлена от организма, которым питаются, к потребителю и показывает передачу вещества и энергии. Цепь помогает проследить один путь питания в экосистеме.

Пищевая сеть — совокупность взаимосвязанных пищевых цепей одной экосистемы. Большинство видов имеет несколько пищевых связей: один хищник может поедать разные виды, а одна жертва служит пищей нескольким хищникам. Сеть точнее описывает реальные отношения, чем одиночная цепь.

Трофический уровень — положение организма в пищевой цепи. Продуценты занимают первый уровень, консументы разных порядков — последующие, а редуценты разлагают остатки организмов и связаны со всеми уровнями. Это понятие позволяет сравнивать роль организмов и запас энергии.

Поток энергии — однонаправленное прохождение энергии через трофические уровни с потерями при каждом переходе. Организмы используют энергию для жизнедеятельности, а часть рассеивается в виде тепла. Поэтому энергия не возвращается в исходном виде.

Как это устроено

Продуценты, например растения и водоросли, используют энергию света для фотосинтеза и создают органическое вещество из углекислого газа и воды. В нём запасается энергия, доступная следующим трофическим уровням. Консументы не создают органическое вещество из неорганического, а получают его, поедая растения или других животных.

Пастбищная цепь начинается с живого продуцента: например, трава → кузнечик → лягушка. Детритная цепь начинается с детрита — мёртвых растительных и животных остатков, которые потребляют детритофаги и микроорганизмы. Различие возникает потому, что органическое вещество в экосистеме используется как в живом, так и в отмершем состоянии.

Пищевые цепи пересекаются, поскольку виды редко имеют единственный источник пищи или единственного врага. Так образуется пищевая сеть, где исчезновение одной связи может быть частично компенсировано другой. Поэтому разнообразная сеть обычно делает экосистему устойчивее к изменениям.

Редуценты, прежде всего бактерии и грибы, выделяют ферменты и расщепляют сложные органические соединения мёртвых организмов и отходов. Образующиеся минеральные вещества поступают в почву, воду и атмосферу, после чего снова могут использоваться продуцентами. Редуценты связывают живую часть экосистемы с неживой средой.

Вещество циркулирует: атомы углерода, азота, фосфора и других элементов переходят из среды в организмы, а после отмирания возвращаются обратно. Энергия ведёт себя иначе: она поступает в основном от Солнца, проходит через уровни и при дыхании постепенно превращается в тепло. Поэтому круговорот веществ замкнут, а поток энергии — направленный и незамкнутый.

Трофические уровни и движение вещества и энергии

Читая таблицу, сначала определите источник пищи организма, а затем его трофический уровень. Для вещества прослеживайте возвращение элементов в среду, а для энергии — движение от Солнца к организмам и потери на каждом переходе.

Разбор задач

Цепь «трава → кузнечик → лягушка → уж»

Нужно установить уровень каждого организма, начиная с первого звена. Трофический уровень определяется не размером или силой организма, а тем, чем он питается. Стрелки показывают переход вещества и энергии к тому, кто получает пищу.

1. Трава сама создаёт органическое вещество фотосинтезом, значит, это продуцент.
2. Кузнечик поедает траву, поэтому он консумент первого порядка.
3. Лягушка питается кузнечиком и становится консументом второго порядка.
4. Уж поедает лягушку, следовательно, это консумент третьего порядка.

Ответ: трава — продуцент, кузнечик — консумент I порядка, лягушка — консумент II порядка, уж — консумент III порядка.

Передача 50 000 кДж энергии

Используем правило десяти процентов как приблизительную оценку. На каждом переходе умножаем энергию предыдущего уровня на 0,1, потому что остальная часть расходуется организмами и рассеивается в виде тепла.

1. Консументы I порядка получат: 50 000 × 0,1 = 5 000 кДж.
2. Консументы II порядка получат: 5 000 × 0,1 = 500 кДж.
3. Консументы III порядка получат: 500 × 0,1 = 50 кДж.

Ответ: приблизительно 5 000, 500 и 50 кДж соответственно.

Сокращение хищных рыб в озере

Изменение численности одного вида вызывает каскадный эффект, потому что связи в сети питания взаимозависимы. Рассуждаем от исчезнувшего потребителя к его жертвам и далее к продуцентам. Отдельно учитываем, что редуценты продолжают перерабатывать остатки всех организмов.

1. Мелких рыб станет больше: давление хищников на них ослабнет.
2. Зоопланктона станет меньше, потому что его будут интенсивнее поедать увеличившиеся популяции мелких рыб.
3. Водорослей станет больше из-за ослабления выедания зоопланктоном.
4. Редуценты разложат отмершие остатки, а минеральные вещества вернутся в воду и снова будут доступны водорослям.

Ответ: мелкие рыбы увеличатся, зоопланктон сократится, водоросли увеличатся; круговорот веществ сохранится, но поток энергии изменит распределение по сети.

Типичные ошибки

Считать пищевую цепь замкнутым кругом. Так путают круговорот веществ с потоком энергии. Проверьте себя: вещество может вернуться к продуцентам, а энергия после рассеивания в виде тепла не возвращается.

Ставить редуцентов только в конце цепи. Ошибка возникает из-за упрощённых схем, где разложение рисуют последним этапом. Помните: редуценты перерабатывают остатки организмов всех трофических уровней.

Называть растения и водоросли консументами. Консументы получают готовое органическое вещество, а растения и водоросли создают его сами из неорганического. Если организм фотосинтезирует, в данной цепи он относится к продуцентам.

Считать правило десяти процентов строгим. Число 10% — средняя оценка, зависящая от вида, условий и качества пищи. В задаче применяйте его как приближённое правило, а не как универсальную константу природы.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления об уровнях организации живой природы и строении экосистемы, а также различие между автотрофным и гетеротрофным питанием. Процессы передачи энергии связаны с фотосинтезом и дыханием, а возвращение минеральных веществ — с разложением органики. Эти знания пригодятся при изучении устойчивости экосистем, экологических пирамид, биосферы и влияния человека на природу.

Что запомнить

• Пищевая цепь показывает последовательность передачи вещества и энергии между организмами.
• Несколько взаимосвязанных пищевых цепей образуют пищевую сеть.
• Первый трофический уровень занимают продуценты.
• Редуценты возвращают минеральные вещества в среду.
• Вещество в экосистеме циркулирует, а энергия проходит через неё однонаправленно.
• При переходе энергии на следующий трофический уровень большая её часть рассеивается в виде тепла.
• Чем выше трофический уровень, тем меньше доступный запас энергии.