55. Цепи питания. Поток энергии

Определения и обозначения

Цепь питания — последовательность организмов, по которой пища и энергия передаются от одного звена к другому. Например, трава служит пищей кузнечику, а кузнечик — лягушке. Такое представление помогает проследить, откуда организмы получают пищу и как энергия проходит через сообщество. Стрелка показывает направление передачи: от того, что съедают, к тому, кто ест.

Пищевое звено — организм или группа организмов, занимающих определённое место в цепи питания. В одной цепи звеньями могут быть трава, кузнечик и лягушка, а в другой — разные виды водорослей или рыб. Понятие нужно, чтобы разбирать цепь по частям и видеть роль каждого участника. Одно и то же животное может входить в несколько цепей.

Трофический уровень — положение организма в цепи питания, связанное со способом получения пищи и энергии. Производители образуют первый уровень, а питающиеся ими животные — следующий. Этот термин позволяет сравнивать организмы не только по названию, но и по месту в передаче энергии. Если животное питается организмами разных уровней, его положение может различаться в разных цепях.

Поток энергии — направленное перемещение энергии через организмы экосистемы с постепенной потерей её части в виде тепла. Энергия сначала запасается в органических веществах производителей, а затем переходит к потребителям. Она не возвращается к растениям по замкнутому кругу, поэтому экосистеме требуется постоянный источник энергии. Понятие помогает объяснить, почему длинные цепи питания встречаются редко.

Как это устроено

Большинство цепей начинается с производителей — растений, водорослей и некоторых бактерий. Они создают органические вещества из неорганических, используя энергию света или химических реакций. Энергия становится запасённой в этих веществах и может перейти к тому, кто съест производителя. Без этого первого запаса большинству потребителей было бы нечем питаться.

Растительноядное животное получает энергию, поедая растения или водоросли, а хищник — поедая других животных. Так энергия переходит от производителей к консументам, то есть потребителям. Каждое звено зависит от предыдущего, потому что получает из него пищу и часть содержащейся в ней энергии. Если организмов предыдущего уровня становится мало, это может повлиять и на тех, кто питается ими.

Переход энергии не бывает полным: организм использует пищу не только для роста, но и для движения, дыхания и поддержания работы тела. Часть съеденного вообще не усваивается, а усвоенная энергия расходуется на жизнедеятельность. В результате лишь небольшая доля может оказаться в теле и стать доступной следующему потребителю. Часто для примерных расчётов используют правило десяти процентов: в среднем передаётся около одной десятой энергии, но точное значение зависит от организмов и условий.

Редуценты — бактерии и грибы, разлагающие остатки организмов и продукты их жизнедеятельности. Они получают энергию из органических веществ, а минеральные вещества возвращают в почву и воду, откуда их могут использовать производители. Благодаря этому вещества участвуют в круговороте и снова становятся доступными живым организмам. Энергия же при разложении расходуется и рассеивается как тепло, поэтому редуценты не возвращают её к началу цепи.

В природе один организм может есть несколько видов пищи, а сам быть добычей разных животных. Поэтому отдельные цепи пересекаются и образуют пищевую сеть. С каждым переходом доступной энергии становится меньше, и её хватает на всё меньшее число организмов верхних уровней. По этой причине цепи обычно ограничены по длине, хотя точное число звеньев зависит от экосистемы.

Роль организмов в цепи питания и передача энергии

Сравнивайте столбцы по одной строке: так видно, чем различаются источники пищи и функции групп. Учитывайте, что редуценты используют остатки организмов всех уровней, а не только последнего звена конкретной цепи. Строка об энергии показывает её постепенное уменьшение, а строка о веществах — их возвращение в круговорот.

Разбор задач

Задача 1. Расположите организмы в правильной последовательности цепи питания: лягушка, трава, уж, кузнечик. Укажите трофический уровень каждого организма. Сначала выясним, кто производит пищу, а затем проследим, кто кого ест. Стрелки будем направлять от пищи к потребителю.

1. Трава — производитель: она создаёт органические вещества и занимает первый трофический уровень.
2. Кузнечик питается травой, значит, он консумент I порядка и занимает второй уровень.
3. Лягушка может съесть кузнечика, поэтому она консумент II порядка, третий уровень.
4. Уж питается лягушкой, значит, он консумент III порядка, четвёртый уровень.

Ответ: трава → кузнечик → лягушка → уж. Трофические уровни организмов по порядку — первый, второй, третий и четвёртый. Последовательность проверена по тому, кто кому служит пищей.

Задача 2. В цепи «трава → кузнечик → лягушка → уж» растения накопили 10 000 кДж энергии. Используя правило десяти процентов, оцените, сколько энергии может перейти к лягушке. Лягушка находится через два перехода после травы. Значит, уменьшить исходное количество нужно дважды, а не один раз.

1. От травы к кузнечику может перейти примерно 10 000 ÷ 10 = 1 000 кДж.
2. От кузнечика к лягушке — около одной десятой от 1 000 кДж.
3. Вычисляем: 1 000 ÷ 10 = 100 кДж.

Ответ: к лягушке может перейти примерно 100 кДж. Это оценка по приближённому правилу, а не точное значение для любой экосистемы. Переход от лягушки к ужу здесь учитывать не нужно, потому что спрашивают энергию, дошедшую до лягушки.

Задача 3. Сравните цепи «водоросли → дафния → карась» и «водоросли → дафния → мелкая рыба → щука → цапля». Нужно определить, в какой цепи до последнего звена дойдёт больше энергии. Важно сравнивать число переходов от начального производителя, а не только названия животных. На каждом переходе часть энергии расходуется и рассеивается.

1. В первой цепи от водорослей до карася происходят два перехода.
2. Во второй цепи до цапли — четыре перехода: через дафнию, мелкую рыбу и щуку.
3. Приближённо применяем правило десяти процентов: после двух переходов остаётся больше исходной энергии, чем после четырёх.

Ответ: больше энергии до последнего звена дойдёт в цепи с карасём. В более длинной цепи потери происходят на большем числе переходов, поэтому до цапли доходит меньшая доля начальной энергии. Это сравнение показывает общую закономерность, а не точное количество энергии в каждой реальной цепи.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что энергия возвращается к растениям так же, как минеральные вещества. Такое представление появляется потому, что оба процесса связывают с круговоротом в экосистеме, но замыкается именно круговорот веществ. Энергия проходит через организмы в одном направлении и рассеивается как тепло. Проверьте себя: вещества могут снова усваиваться производителями, а для энергии нужен постоянный внешний источник.

Ошибка: начинать цепь питания с хищника или редуцента. Хищник получает пищу от других организмов, а редуцент использует их остатки, поэтому обычно первым звеном выступает производитель, создающий органическое вещество. Эту ошибку допускают, если выбирают самый заметный организм вместо источника пищи. Проверьте последовательность вопросом: кто в ней создаёт органические вещества?

Ошибка: считать правило десяти процентов точным для любой экосистемы. Его используют для простых оценок, но доля передаваемой энергии меняется в зависимости от организмов и условий. Удобное число в расчёте не означает, что в природе всегда передаётся ровно десятая часть. Проверьте себя: в ответе укажите, что результат приблизительный.

Ошибка: понимать стрелку как указание на того, кто кого ест, без учёта направления. Из-за привычного вопроса «кто кого ест?» можно направить её от хищника к добыче. На деле стрелка показывает передачу пищи и энергии: от съедаемого организма к потребителю. Проверка проста: в записи «трава → кузнечик» кузнечик должен быть тем, кто получает пищу.

Связь с другими темами

Чтобы понять пищевые цепи, нужно различать производителей, потребителей и разрушителей органических веществ, а также знать роль фотосинтеза. Тема связана с круговоротом веществ: редуценты возвращают минеральные вещества в среду, хотя энергия обратно не возвращается. Она помогает изучать экосистемы, экологические пирамиды и охрану природных сообществ. По пищевым связям можно объяснить, почему исчезновение вида или загрязнение среды нарушает равновесие экосистемы.

Что запомнить

• Производители создают органические вещества и запасают энергию.
• Цепь питания показывает передачу пищи и энергии между организмами.
• Каждое звено цепи относится к определённому трофическому уровню.
• При переходе на следующий уровень передаётся лишь небольшая часть энергии.
• Большая часть энергии расходуется организмами и рассеивается в виде тепла.
• Вещества в экосистеме совершают круговорот, а энергия движется в одном направлении.
• Пищевые цепи связаны между собой и образуют пищевые сети.