5.5. Пищевые связи. Круговорот веществ и энергии в экосистемах

Определения и обозначения

Пищевая цепь — последовательность организмов, в которой каждый предыдущий служит пищей следующему. Стрелки в цепи показывают направление передачи пищи и энергии: от того, кого съели, к тому, кто съел. Такая схема помогает проследить связи между организмами и определить их положение в экосистеме.

Пищевая сеть — совокупность связанных между собой пищевых цепей. Она точнее отражает жизнь экосистемы, потому что многие организмы используют разные виды пищи и сами могут становиться пищей для нескольких видов. Сеть помогает увидеть, как изменение одного вида может затронуть другие организмы.

Трофический уровень — положение организма в пищевой цепи, определяемое тем, откуда он получает пищу и энергию. Продуценты занимают первый уровень, а питающиеся ими консументы — следующий. Это понятие нужно, чтобы сравнивать передачу энергии и вещества между звеньями цепи.

Экологическая пирамида — графическое отображение соотношения организмов, их биомассы или энергии на разных трофических уровнях. Каждый уровень пирамиды соответствует определённому звену питания. По ней можно оценить, как меняются эти показатели при переходе от продуцентов к консументам.

Как это устроено

Продуценты — организмы, создающие органические вещества из неорганических, например зелёные растения. Используя энергию света, они образуют вещества, из которых строятся их клетки и которые затем могут стать пищей для других организмов. Поэтому именно через продуцентов энергия поступает в большинство экосистем, а неорганические вещества включаются в живую материю.

Консументы — организмы, получающие органические вещества и энергию, поедая другие организмы. Пища служит им источником веществ для роста и энергии для движения, дыхания и других процессов. Однако организм не передаёт следующему звену всю полученную энергию: значительная её часть расходуется на жизнедеятельность и рассеивается как тепло.

Редуценты, к которым относятся многие бактерии и грибы, разлагают остатки организмов и продукты их жизнедеятельности. В ходе разложения органические вещества превращаются в неорганические соединения, поступающие в почву, воду или воздух. Продуценты вновь используют доступные соединения, поэтому деятельность редуцентов связывает отмершую органику с дальнейшим круговоротом веществ.

Пищевые цепи переплетаются, потому что рацион организма часто включает несколько видов, а сам он может быть добычей разных потребителей. Так возникают пищевые сети, в которых одно и то же звено связано с несколькими другими. Если численность какого-либо вида меняется, это влияет на доступность пищи для его потребителей и на численность организмов, которыми он питается.

Вещества могут переходить из среды в организмы и обратно благодаря питанию и разложению остатков, поэтому они многократно используются в экосистеме. Энергия ведёт себя иначе: она поступает извне, передаётся между организмами и постепенно рассеивается как тепло. На каждый следующий трофический уровень обычно переходит лишь небольшая часть энергии, поэтому пищевые цепи ограничены по длине.

Круговорот веществ и поток энергии в экосистеме

Сравнивайте строки таблицы по одному признаку, чтобы не смешивать круговорот веществ с потоком энергии. Проследите, какие организмы участвуют в каждом процессе: это поможет понять, почему редуценты возвращают вещества, но не возвращают энергию к её источнику. Сравнение также объясняет, почему для существования экосистемы нужны и доступные вещества, и постоянный приток энергии.

Разбор задач

Задача 1. Для цепи «трава — заяц — лисица» определите продуцента и консументов, укажите трофический уровень каждого организма.

1. Сначала читаем стрелки от пищи к тому, кто её потребляет: трава служит пищей зайцу, а заяц — лисице. Значит, трава начинает цепь, заяц получает вещества от продуцента, а лисица — от другого консумента.

2. Трава создаёт органические вещества, поэтому это продуцент первого трофического уровня. Заяц — консумент первого порядка и второй уровень, а лисица — консумент второго порядка и третий уровень.

Ответ: трава — продуцент первого уровня; заяц — консумент первого порядка второго уровня; лисица — консумент второго порядка третьего уровня.

Задача 2. На первом трофическом уровне запасено 10 000 кДж энергии. Оцените, сколько энергии может перейти на третий уровень, используя правило приблизительной передачи одной десятой энергии.

1. Третий уровень отделён от первого двумя переходами: сначала энергия передаётся на второй уровень, затем — на третий. Поэтому правило десяти процентов нужно применить дважды, а не один раз.

2. На второй уровень ориентировочно поступит 10 000 × 0,1 = 1 000 кДж. На третий перейдёт около 1 000 × 0,1 = 100 кДж.

Ответ: приблизительно 100 кДж. Это оценка, поскольку доля переданной энергии зависит от организмов и условий, а правило десяти процентов не является точным для каждой цепи.

Задача 3. В пищевой сети экосистемы резко сократилась численность насекомоядных птиц. Объясните возможные последствия для численности насекомых и растений, а также роль редуцентов в возвращении веществ в среду.

1. Если птиц стало меньше, насекомых могут поедать реже, и их численность может увеличиться. Это вероятное следствие, но его выраженность зависит от других хищников и связей пищевой сети.

2. Если среди насекомых много растительноядных видов, увеличение их численности может усилить повреждение растений и уменьшить их количество. Однако в сети есть и другие связи, поэтому нельзя утверждать, что растения обязательно сократятся: результат зависит от конкретной экосистемы.

3. Отмершие растения и животные, а также продукты жизнедеятельности разлагают редуценты. Они переводят органические остатки в неорганические вещества, которые возвращаются в среду и могут снова использоваться продуцентами.

Ответ: сокращение птиц может привести к росту численности насекомых и усилению их воздействия на растения, но итог зависит от всей пищевой сети. Редуценты обеспечивают возврат веществ в среду; энергия при этом не возвращается к исходному источнику, а рассеивается.

Типичные ошибки

Ошибка — представлять пищевую цепь как передачу всей энергии от звена к звену. Так думают, если учитывать только то, кто кого ест, и забывать о дыхании, движении и других процессах. Проверьте себя: при каждом переходе часть энергии расходуется организмом и рассеивается как тепло, поэтому следующему уровню достаётся меньше.

Ошибка — считать круговорот веществ и поток энергии одним процессом. Их путают, потому что оба связаны с питанием организмов и перемещаются по пищевой сети. Чтобы проверить ответ, задайте два вопроса: могут ли вещества вернуться в среду и использоваться повторно — да; возвращается ли энергия к источнику — нет.

Ошибка — полагать, что редуценты создают вещества из ничего. Возможно, так кажется, потому что после разложения органические остатки становятся незаметными. На деле редуценты превращают органические вещества в неорганические соединения; проверьте себя, проследив, откуда берётся материал и куда он поступает.

Ошибка — считать, что на следующий уровень всегда переходит ровно десять процентов энергии. Такое представление возникает, когда приблизительную закономерность принимают за точную формулу. Проверка простая: используйте 10% как ориентир для оценки, но помните, что доля передачи зависит от организмов и условий.

Связь с другими темами

Для понимания пищевых связей нужно различать продуцентов, консументов и редуцентов, а также знать способы питания организмов. Эти понятия позволяют определить, откуда каждый вид получает вещества и энергию и какое место занимает в цепи. Дальше тема помогает изучать экологические пирамиды и устойчивость экосистем: становится понятнее, как изменения численности видов отражаются на связанных организмах.

Что запомнить

• Пищевая цепь показывает передачу пищи и энергии между организмами.
• Несколько связанных пищевых цепей образуют пищевую сеть.
• Трофический уровень отражает положение организма в цепи питания.
• Продуценты создают органические вещества, а консументы получают их с пищей.
• Редуценты возвращают неорганические вещества в окружающую среду.
• Вещества в экосистеме циркулируют, а энергия передаётся в одном направлении.
• При переходе между трофическими уровнями большая часть энергии не передаётся дальше.