§ 19. Трофические взаимодействия в экосистеме

Определения и обозначения

Трофический уровень — положение организма в цепи питания, определяемое тем, откуда он получает пищу и энергию. Уровни помогают упорядочить организмы: первым обычно считают продуцентов, а выше располагают потребителей. Это понятие нужно, чтобы сравнивать место организмов в передаче вещества и энергии.

Пищевая цепь — последовательность организмов, в которой каждый предыдущий организм служит пищей следующему. Например, в цепи «трава → заяц → лиса» стрелки показывают переход от пищи к потребителю. Цепь позволяет проследить один конкретный путь передачи вещества и энергии.

Пищевая сеть — совокупность связанных между собой пищевых цепей экосистемы. Она показывает, что один вид может быть пищей для нескольких потребителей, а сам потребитель может использовать разные источники пищи. Сеть нужна для более полного представления о питании организмов, чем отдельная цепь.

Экологическая пирамида — графическое отображение соотношения организмов, биомассы или энергии на разных трофических уровнях. Её строят, чтобы увидеть, как выбранный показатель распределён между уровнями. Вид пирамиды зависит от того, сравнивают ли численность, массу организмов или запас энергии.

Как это устроено

Трофические связи возникают потому, что организмы получают органическое вещество и энергию через питание. Продуценты создают органическое вещество, используя энергию света или химических реакций, и тем самым становятся основой питания для консументов. Консументы поедают растения или других животных, а редуценты разлагают мёртвые остатки и отходы. Так вещество может возвращаться в среду, тогда как энергия проходит через организмы и постепенно рассеивается.

Пастбищная цепь начинается с живых растений, а детритная — с детрита, то есть мёртвого органического вещества и остатков организмов. В пастбищной цепи растительная пища переходит к травоядным, затем к хищникам. В детритной цепи остатками питаются, например, грибы, бактерии и детритофаги, а ими могут питаться другие животные. Различие связано с тем, что источником пищи служат либо живые растения, либо уже отмершее органическое вещество.

Пищевые цепи обычно короткие, потому что организм использует значительную часть полученной энергии на движение, дыхание, рост и другие процессы. Часть энергии рассеивается в виде тепла, а не переходит следующему потребителю. Поэтому на каждом следующем трофическом уровне доступный запас обычно меньше. Ориентир около 10% помогает оценивать передачу энергии, но реальная доля зависит от организмов и условий.

В природе отдельные цепи переплетаются: один организм может поедать разные виды пищи, а сам служить пищей нескольким видам. Так возникает пищевая сеть, которая точнее отражает связи в экосистеме. Всеядные организмы способны получать пищу с разных уровней, поэтому их положение может меняться в зависимости от рациона. Следовательно, трофический уровень не всегда однозначно задаётся только видом организма.

Экологические пирамиды сравнивают организмы на разных уровнях по одному выбранному показателю: численности, биомассе или энергии. Пирамида численности показывает количество особей, биомассы — общую массу организмов, а энергии — запас энергии. Форма первых двух может быть необычной: например, одно дерево способно поддерживать множество насекомых. Пирамида энергии отражает уменьшение доступного запаса при переходе вверх по цепи.

Экологические пирамиды и их показатели

Сначала определите, какой показатель нужно сравнить, и только затем выбирайте тип пирамиды. Единицы должны соответствовать этому показателю и, для энергии, учитывать период времени. Не делайте вывод о количестве организмов по пирамиде биомассы или энергии: каждая показывает свою характеристику.

Разбор задач

Задача 1. В цепи «трава → заяц → лиса» определите продуцента и консументов, а также трофический уровень зайца. Начинать нужно с определения источника органического вещества и направления стрелок. Затем уровни считают от продуцентов.

1. Трава создаёт органическое вещество, поэтому это продуцент и первый трофический уровень.
2. Заяц питается травой, следовательно, он консумент первого порядка и занимает второй трофический уровень.
3. Лиса питается зайцем, поэтому она консумент второго порядка и занимает третий уровень.

Ответ: продуцент — трава; консументы — заяц и лиса; заяц находится на втором трофическом уровне. Номер уровня зайца не равен номеру потребителя: отсчёт начинается с продуцентов.

Задача 2. Растения запасли 20 000 кДж энергии. Оцените, сколько энергии может перейти к растительноядным животным, если на следующий уровень передаётся около 10%. Ищем одну передачу между соседними уровнями, поэтому достаточно умножить исходный запас на 0,1. Полученное значение будет оценкой, а не точным измерением.

1. Запишите долю передачи: 10% = 0,1.
2. Умножьте запас растений на эту долю: 20 000 кДж × 0,1 = 2 000 кДж.

Ответ: растительноядным животным может перейти около 2 000 кДж. Остальная энергия не исчезает бесследно, но расходуется на процессы жизнедеятельности, рассеивается или остаётся в веществе, которое данный потребитель не усвоил.

Задача 3. В цепи «растения → насекомые → лягушки → уж» растения запасают 50 000 кДж. Оцените запас энергии ужа при передаче около 10% на каждом переходе и объясните приблизительность результата. От растений до ужа три перехода, поэтому долю нужно применить трижды. Нельзя ограничиваться одним умножением на 10%.

1. После перехода к насекомым: 50 000 × 0,1 = 5 000 кДж.
2. После перехода к лягушкам: 5 000 × 0,1 = 500 кДж.
3. После перехода к ужу: 500 × 0,1 = 50 кДж.

Ответ: ориентировочный запас ужа — 50 кДж. Расчёт приблизителен, потому что доля передаваемой энергии не постоянна и зависит от усвоения пищи, образа жизни организмов и условий среды.

Типичные ошибки

Первая ошибка — направлять стрелку от хищника к добыче. Её допускают, когда воспринимают стрелку как указатель на того, кто ест, хотя она обозначает переход вещества и энергии. Проверьте себя вопросом: «Что служит пищей следующему организму?» Стрелка должна идти от ответа на этот вопрос к потребителю.

Вторая ошибка — считать пищевую цепь и пищевую сеть одним и тем же. Цепь показывает один путь питания, а сеть соединяет несколько таких путей; путаница возникает, когда схему из множества стрелок называют одной цепью. Проверьте себя: если у организмов есть альтернативные источники пищи или несколько потребителей, перед вами сеть.

Третья ошибка — применять правило 10% как точную неизменную величину. Это удобный ориентир, который запоминают как универсальную формулу, хотя передача зависит от вида организмов, качества пищи и условий. В задаче уточняйте, задано ли это значение, а в объяснении называйте результат оценкой.

Четвёртая ошибка — думать, что пирамида численности и биомассы всегда имеет широкое основание. Такое ожидание переносят с пирамиды энергии, но одно дерево может поддерживать большое число насекомых, а соотношение биомасс может меняться. Проверяйте, какой показатель изображён и что именно сравнивают. У пирамиды энергии запас при переходе между уровнями обычно уменьшается.

Связь с другими темами

Для понимания трофических связей нужно знать роли продуцентов, консументов и редуцентов, а также различать органическое вещество и энергию. Далее потоки вещества и энергии помогают объяснять устойчивость экосистем и последствия изменения пищевых связей. Трофические уровни и снижение запаса энергии позволяют понять ограничения длины цепей и оценивать продуктивность экосистем.

Что запомнить

• Пищевая цепь показывает один путь передачи пищи и энергии.
• Пищевая сеть объединяет связанные между собой цепи.
• Начало пастбищной цепи — живые растения, детритной — мёртвое органическое вещество.
• Первый трофический уровень образуют продуценты.
• При переходе энергии на следующий трофический уровень её запас обычно значительно уменьшается.
• Экологические пирамиды бывают пирамидами численности, биомассы и энергии.