§ 46. Поток энергии и пищевые цепи

Определения и обозначения

Поток энергии — передача энергии от организмов одного трофического уровня к следующему и её постепенное рассеивание. Энергия поступает в экосистему главным образом от Солнца, а затем переходит вместе с пищей. Это понятие помогает понять, почему количество доступной энергии уменьшается по цепи.

Пищевая цепь — последовательность организмов, в которой каждый предыдущий организм служит пищей для последующего. Например, трава может быть пищей для кузнечика, а кузнечик — для лягушки. Цепь показывает одновременно передачу вещества и энергии между организмами.

Трофический уровень — положение организма в пищевой цепи, определяемое способом получения пищи и энергии. Производители занимают первый уровень, растительноядные животные — следующий, а хищники располагаются ещё выше. Такое обозначение позволяет сравнивать, сколько энергии доступно разным группам организмов.

Правило экологической пирамиды — закономерность, согласно которой к следующему трофическому уровню обычно переходит лишь небольшая часть энергии предыдущего уровня. Часто используют ориентир около 10%, хотя в природе это значение меняется. Правило объясняет уменьшение энергии и численности организмов к вершине цепи.

Как это устроено

Основным источником энергии для большинства экосистем служит Солнце. Растения, водоросли и некоторые бактерии используют свет в процессе фотосинтеза, создавая органические вещества из неорганических. Часть солнечной энергии оказывается запасённой в химических связях этих веществ, поэтому производители становятся началом большинства пищевых цепей.

Дальше энергия передаётся через питание: растительноядное животное поедает растение, а хищник — растительноядное животное. Пищевую цепь изображают стрелками от пищи к тому, кто её ест, потому что стрелка показывает движение энергии. Например, запись трава → кузнечик означает, что кузнечик получает энергию, поедая траву.

Съеденная пища не превращается целиком в прирост организма. Энергия расходуется на дыхание, движение, поддержание температуры, рост, размножение и другие процессы жизнедеятельности. При этом значительная её часть рассеивается в окружающей среде в виде тепла, поэтому только малая доля может перейти к следующему уровню.

Поток энергии направлен в одну сторону: от Солнца к производителям, затем к потребителям и далее к разрушителям. После рассеивания в виде тепла эта энергия не возвращается к растениям и не используется повторно в прежнем виде. Вещества, напротив, могут возвращаться в почву, воду и воздух, поэтому для них характерен круговорот.

Правило экологической пирамиды показывает, почему длинные цепи встречаются редко. Если на каждом переходе сохраняется примерно десятая часть энергии, то после нескольких ступеней её запас резко уменьшается. Поэтому на верхних уровнях обычно находится меньше организмов и поддерживается меньше биомассы, чем у основания цепи.

Передача энергии по трофическим уровням

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, кто производит органические вещества, а затем установите, кто кем питается. После этого можно проследить уменьшение доступной энергии от первого уровня к последующим.

Один и тот же вид иногда может занимать разные уровни в разных цепях, если меняется его пища. Поэтому трофический уровень определяют не только по названию организма, но и по его роли в конкретной цепи.

Разбор задач

Задача 1

Условие: составьте цепь из травы, кузнечика, лягушки и ужа, укажите стрелки и уровни. Нужно расположить организмы по принципу «кто кого ест», а не по размеру или силе.

1. Травой питается кузнечик, кузнечиком — лягушка, а лягушка может быть добычей ужа.
2. Стрелки направляем от пищи к потребителю: трава → кузнечик → лягушка → уж.
3. Траву относим к производителям, кузнечика — к потребителям первого порядка, лягушку — второго, ужа — третьего.

Ответ: цепь имеет вид «трава → кузнечик → лягушка → уж». Уровни: первый — трава, второй — кузнечик, третий — лягушка, четвёртый — уж.

Задача 2

Условие: на уровне производителей запасено 20 000 кДж энергии. Оценим, сколько перейдёт к потребителям первого и второго порядков, если на каждый следующий уровень передаётся около 10%.

1. К первому порядку перейдёт 20 000 × 0,1 = 2 000 кДж.
2. Ко второму порядку перейдёт ещё 10% от 2 000 кДж: 2 000 × 0,1 = 200 кДж.
3. Каждый раз берём 10% от энергии предыдущего уровня, а не от первоначального запаса.

Ответ: потребители первого порядка получат примерно 2 000 кДж, а второго порядка — около 200 кДж.

Задача 3

Условие: в цепи «растения — заяц — лисица» запас растений равен 50 000 кДж. Найдём примерную энергию, доступную лисице, при передаче 10% на каждом переходе.

1. От растений к зайцу перейдёт 50 000 × 0,1 = 5 000 кДж.
2. От зайца к лисице перейдёт 5 000 × 0,1 = 500 кДж.
3. Результат приблизительный, поскольку часть растений не съедается, а съеденная пища усваивается не полностью.

Ответ: лисице доступно около 500 кДж. Реальная величина может отличаться из-за состава пищи, условий среды и различий в обмене веществ организмов.

Типичные ошибки

Стрелка от хищника к добыче. Так ошибаются, если воспринимают стрелку как направление охоты. Проверьте себя вопросом «кто получает энергию?» — стрелка должна идти к потребителю.

Энергия возвращается к производителям. Причина ошибки — смешение энергии с веществами экосистемы. Если энергия рассеялась как тепло, она уже не замыкает цикл; круговорот характерен прежде всего для веществ.

Правило 10% считают точным. Число запоминают как неизменное значение, хотя это средняя оценка. Уточните условие задачи и помните, что доля зависит от организмов и среды.

Вся энергия пищи переходит дальше. Такое представление не учитывает дыхание, движение и другие процессы. Проверьте расчёт: на каждом уровне большая часть энергии должна быть учтена как расход и рассеивание.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно различать производителей, потребителей и разрушителей, а также знать, что питание обеспечивает организм веществами и энергией. Эти роли помогают правильно определить место вида в пищевой цепи.

Поток энергии связан с экологическими пирамидами и взаимосвязями организмов в экосистеме. Если изменить численность одного вида, это может повлиять на доступность пищи и численность организмов на соседних трофических уровнях.

Что запомнить

• Энергия поступает в экосистему преимущественно от Солнца.
• Пищевая цепь показывает последовательность передачи пищи и энергии.
• Стрелка в цепи направлена от пищи к тому, кто её потребляет.
• Организмы одной ступени цепи занимают один трофический уровень.
• При переходе между уровнями большая часть энергии не передаётся дальше.
• Поток энергии направлен в одну сторону и не замыкается в круговорот.
• На верхних трофических уровнях обычно доступно меньше энергии.