§ 21. Пищевые связи в экосистеме

Определения и обозначения

Пищевая, или трофическая, цепь — последовательность организмов, в которой каждый предыдущий служит пищей следующему. Стрелка показывает движение вещества и энергии от пищевого объекта к потребителю: растение → гусеница означает, что гусеница получает вещества и энергию из растения. Такая запись помогает увидеть порядок питания организмов и проследить поток энергии.

Трофический уровень — положение организма в пищевой цепи, определяемое способом получения пищи. Продуценты создают органические вещества из неорганических, консументы потребляют готовые органические вещества, а редуценты разлагают органические остатки. Разделение на уровни нужно, чтобы сравнивать роли организмов и оценивать, как передаются энергия и вещества.

Пищевая сеть — совокупность взаимосвязанных пищевых цепей одной экосистемы. Один организм может питаться несколькими видами, а сам быть пищей для разных потребителей, поэтому он входит сразу в несколько последовательностей. Понятие сети точнее описывает реальные связи, чем одна изолированная цепь.

Экологическая пирамида — графическое изображение соотношения организмов, их биомассы или энергии на разных трофических уровнях. Её основание обычно образуют продуценты, а выше располагаются потребители. Пирамида помогает наглядно сравнить уровни и увидеть, как меняется выбранный показатель по мере передачи пищи.

Как это устроено

Пищевые связи начинаются с продуцентов, потому что именно они обеспечивают экосистему органическим веществом. Растения используют энергию света, а некоторые микроорганизмы — энергию химических реакций, чтобы синтезировать органику из неорганических веществ. Затем эту органику получают организмы, которые сами не могут создавать пищу таким способом. Поэтому без продуцентов большинство пищевых цепей не имело бы источника вещества и энергии.

В пастбищной цепи органическое вещество проходит от живых растений к растительноядным животным, а затем к хищникам. Например, трава служит пищей кузнечику, кузнечик — лягушке, а лягушка — ужу: трава → кузнечик → лягушка → уж. Стрелки направлены именно к потребителям, поскольку показывают, откуда каждый из них получает пищу. Такая последовательность начинается с живого продуцента, а не с остатков организмов.

В детритной цепи исходное звено — детрит, то есть мёртвое органическое вещество: опавшие листья, останки и другие остатки организмов. Ими питаются детритофаги, например дождевые черви, а редуценты — прежде всего бактерии и грибы — разлагают органические вещества до более простых соединений. Разложение становится возможным благодаря жизнедеятельности этих организмов и возвращает вещества в круговорот. Поэтому редуценты перерабатывают остатки, возникающие на разных трофических уровнях, а не только в конце одной цепи.

При переходе от одного трофического уровня к следующему часть энергии расходуется на движение, рост, поддержание жизнедеятельности и выделение тепла. Поэтому потребителю достаётся лишь часть энергии, накопленной на предыдущем уровне, а на вершине цепи её обычно значительно меньше. В качестве грубой оценки часто используют передачу около 10% энергии, но реальная доля различается. Ограниченный запас доступной энергии — одна из причин, по которым пищевые цепи обычно состоят из небольшого числа звеньев.

В природе многие животные используют разные источники пищи в зависимости от доступности, возраста или сезона, а сами могут становиться добычей нескольких видов. Поэтому одна и та же лягушка, например, может быть звеном цепей с разными насекомыми и разными хищниками. Когда отдельные цепи соединяются общими организмами, возникает пищевая сеть. Она показывает взаимозависимость видов и помогает понять, почему изменение численности одного из них может затронуть несколько связей.

Сравнение типов пищевых цепей

Чтобы определить тип цепи, прежде всего выясните, какое вещество или организм составляет её исходное звено. Затем проследите, кто потребляет это звено и какова роль цепи в экосистеме. Сравнивайте не только названия организмов, но и то, живой ли источник пищи или это уже отмершая органика.

Разбор задач

Цепь из травы, кузнечика, лягушки и ужа

Условие: составьте пищевую цепь из организмов «трава, кузнечик, лягушка, уж» и укажите направление передачи вещества и энергии. Нужно расположить виды по тому, кто кем питается, а не просто перечислить их. Стрелку следует направлять от пищи к потребителю.

1. Трава — растение и источник пищи для кузнечика, поэтому ставим её первой.
2. Кузнечик питается травой, а лягушка может питаться кузнечиком. Продолжаем последовательность: трава → кузнечик → лягушка.
3. Уж может поедать лягушку, поэтому добавляем его следующим звеном. Проверяем каждую стрелку вопросом: «Кто получает пищу от организма слева?»

Ответ: трава → кузнечик → лягушка → уж. Вещество и энергия передаются от травы к кузнечику, затем к лягушке и ужу; стрелки не направлены от хищников к их добыче.

Трофические уровни в цепи

Условие: для цепи «растение — гусеница — синица — ястреб» определите трофический уровень каждого организма и назовите консументов первого и второго порядков. Порядок консумента зависит от того, кем он питается. Отсчёт уровней начинаем с продуцента, а не с первого животного.

1. Растение создаёт органические вещества, поэтому оно — продуцент первого трофического уровня.
2. Гусеница питается растением, значит, она консумент первого порядка и занимает второй уровень.
3. Синица поедает гусеницу, поэтому это консумент второго порядка на третьем уровне.
4. Ястреб питается синицей и в этой цепи является консументом третьего порядка, занимающим четвёртый уровень.

Ответ: растение — первый уровень, гусеница — второй, синица — третий, ястреб — четвёртый. Консументы первого порядка — гусеница, второго порядка — синица. При определении уровня учитывайте указанную цепь: один и тот же организм в другой пищевой связи может занимать иное положение.

Передача энергии между уровнями

Условие: продуценты накопили 20 000 кДж энергии; оцените, сколько может перейти к консументам второго порядка, если при каждом переходе передаётся около 10%. Консументы второго порядка находятся через два перехода от продуцентов: сначала энергию получают консументы первого порядка, затем — второго. Значит, правило нужно применить последовательно дважды.

1. Вычисляем, сколько достанется консументам первого порядка: 20 000 × 0,1 = 2 000 кДж.
2. На следующем переходе остаётся около 10% от 2 000 кДж: 2 000 × 0,1 = 200 кДж.
3. Проверяем число переходов: от продуцентов до консументов второго порядка их два, поэтому результат — 20 000 × 0,1 × 0,1.

Ответ: ориентировочно 200 кДж. Это не точное предсказание для любой экосистемы: доля передачи зависит от организмов и условий, поэтому правило 10% используют для приблизительной оценки.

Типичные ошибки

Ошибка: направлять стрелку от хищника к добыче. Так рассуждают, если воспринимают стрелку как указание на того, кто охотится, но в пищевой цепи она показывает передачу вещества и энергии. Для проверки спросите себя, кто получает пищу от организма слева: стрелка должна вести к потребителю. Например, правильно записать «кузнечик → лягушка».

Ошибка: смешивать пищевую цепь и пищевую сеть. Это происходит потому, что оба понятия описывают питание организмов, но цепь представляет одну последовательность, а сеть — несколько связанных последовательностей. Проверьте, есть ли в записи развилки или общие виды, связанные с несколькими источниками пищи и потребителями. Если показана одна линия отношений, это цепь.

Ошибка: считать редуцентов только последним звеном одной пищевой цепи. Такое представление возникает из-за упрощённой схемы, где разлагатели нарисованы после хищников, хотя они перерабатывают остатки растений и животных разных уровней. Проверьте, могут ли в детрит поступать листья, останки и другие отходы из разных частей экосистемы. Тогда становится ясно, что деятельность редуцентов связана со всей сетью.

Ошибка: воспринимать правило 10% как постоянную точную величину. Его запоминают как формулу и забывают, что это лишь приблизительная оценка передачи энергии между уровнями. Проверяйте, сказано ли в задаче «около» или «примерно», и используйте результат как оценку, а не гарантию. В реальных экосистемах доля зависит от условий и особенностей организмов.

Связь с другими темами

Для понимания пищевых связей нужно различать продуцентов, консументов и редуцентов, а также знать, как организмы получают органические вещества. Эта тема связывает строение сообщества с круговоротом веществ и потоком энергии: пища переносит вещества, а её использование сопровождается расходованием энергии. По пищевым сетям можно рассуждать об устойчивости экосистем и последствиях изменения численности видов. Трофические уровни также лежат в основе экологических пирамид, показывающих распределение организмов, биомассы или энергии.

Что запомнить

• Стрелка в пищевой цепи направлена от пищевого объекта к потребителю.
• Пастбищная цепь начинается с живых продуцентов.
• Детритная цепь начинается с мёртвого органического вещества.
• Пищевые сети объединяют множество связанных пищевых цепей.
• При переходе по трофическим уровням доступная энергия уменьшается.
• Редуценты разлагают органические остатки и возвращают вещества в круговорот.