Пищевые связи. Круговорот веществ и энергии в экосистемах

Экосистема — открытая система. Все естественные экосистемы являются открытыми. В них постоянно поступает солнечная энергия, минеральные вещества почвы и газы атмосферы, вода, а выделяется теплота, кислород, диоксид углерода и продукты жизнедеятельности организмов. В экосистемах осуществляется постоянный круговорот веществ и энергии (рис. 194). В органических соединениях, созданных продуцентами, запасается энергия Солнца. Некоторое количество энергии расходуется самими продуцентами на реакции синтеза, транспорт веществ и другие процессы, поэтому консументы получают лишь её часть и тоже расходуют в процессе жизнедеятельности. Поэтому консументам второго порядка (хищникам) достаётся ещё меньше энергии. Следовательно, для поддержания устойчивости (равновесия) системы необходим постоянный приток солнечной энергии.

Пищевые цепи и трофические уровни. При изучении структуры любой экосистемы становится очевидным, что её устойчивость зависит от многообразия пищевых, или трофических, связей (от греч. trophē — питание) между разными видами (рис. 195).

Каждый организм, участвующий в этом процессе, является звеном пищевой цепи и находится на определённом трофическом уровне.

Первый трофический уровень образуют зелёные растения, создающие первичную продукцию в экосистеме.

Второй трофический уровень объединяет гетеротрофных растительноядных животных и паразитические растения.

Третий трофический уровень включает плотоядных животных, поедающих травоядных. Их называют хищниками первого порядка. К ним относятся насекомоядные птицы, мелкие млекопитающие, рептилии и др.

Четвёртый трофический уровень образуют более крупные плотоядные животные (хищники второго порядка).

Пятый трофический уровень формируют редуценты — организмы, потребляющие мёртвое органическое вещество.

Очевидно, что в основе цепей питания всегда лежат растения. Их биомасса (масса живого вещества) образуется в результате связывания солнечной энергии, создаётся так называемая первичная продукция. Растительная биомасса используется потребителями первого порядка — растительноядными животными в качестве источника энергии и материала для создания своей биомассы. В свою очередь эти животные служат источником энергии и материала для потребителей второго порядка — хищников и т. д. Общая закономерность состоит в том, что количество особей, включённых в пищевую цепь, последовательно уменьшается, и численность жертв значительно больше численности их потребителей. Это происходит потому, что в каждом звене пищевой цепи, при каждом переносе энергии с одного трофического уровня на другой 80—90% её теряется, рассеиваясь в форме теплоты. Это обстоятельство ограничивает число звеньев в цепи (обычно их бывает от трёх до пяти).

В реальных условиях цепи питания могут иметь разное число звеньев. Кроме того, цепи питания могут перекрещиваться, образуя сети питания. Почти все виды животных, за исключением очень специализированных в пищевом отношении, используют не один какой-нибудь источник пищи, а несколько. Если один член биоценоза выпадает из сообщества, вся система не нарушается, так как используются другие источники питания. Чем больше видовое разнообразие в биоценозе, тем он устойчивее. В цепи питания «растения — заяц — лиса» всего три звена.

Но лиса питается не только зайцами, но и мышами и птицами.

Экологические пирамиды. Обычно размеры организмов с переходом на следующий трофический уровень возрастают, а их численность и биомасса снижаются (рис. 196). В среднем из 1 тыс. кг растений образуется 100 кг тела травоядных животных. Хищники, поедающие травоядных, могут построить из этого количества 10 кг своей биомассы, а вторичные хищники — только 1 кг. Например, человек за определённый промежуток времени съедает большую рыбу массой 10 кг. Пищу этой рыбы составляли мелкие рыбки, потребляющие зоопланктон, который, в свою очередь, жил за счёт фитопланктона, улавливающего солнечную энергию. Таким образом, для построения 1 кг тела человека требуется 10 тыс. кг фитопланктона. Следовательно, масса каждого последующего звена в цепи прогрессивно уменьшается. Эта закономерность носит название правила экологической пирамиды. Пищевые взаимоотношения в экосистемах графически изображаются в виде пирамид. Различают пирамиду чисел, отражающую число особей на каждом этапе пищевой цепи, пирамиду биомассы — количество синтезированного на каждом уровне органического вещества, пирамиду энергии — количество энергии в пище. Все они имеют одинаковую направленность, различаясь в абсолютном значении цифровых величин.