Трофические связи в биоценозе
Определение термина «пищевая цепь»
Только автотрофные организмы – продуценты органического вещества в экосистемах – могут жить, не потребляя готовое органическое вещество. Все остальные группы организмов должны потреблять живые существа, их части, выделения или отмершее органическое вещество.
Так, первичное органическое вещество, созданное продуцентом, последовательно проходит через цепочку консументов разного порядка, пока не будет полностью разложено до неорганического вещества редуцентами. Такая последовательность организмов (продуценты – консументы – редуценты) называется пищевой цепью.
В озере продуцентом является фотосинтезирующая планктонная водоросль. Ее биомассу поедают ветвесоусые рачки-фильтраторы, а их, в свою очередь, поедают личинки комаров. Этими личинками питается мелкая рыба, например плотва. Плотва, в свою очередь, становится добычей щуки. Умершая щука будет съедена речным раком. Рака после его гибели съедят бактерии-хитинолитики, которые могут переварить его панцирь.
Пищевая цепь — это умозрительная цепь. На самом деле существует разветвленная пищевая сеть, на каждом участке которой могут существовать сразу несколько потенциальных жертв и хищников.
Трофические пирамиды
Главное в пищевой сети – это выделить трофические уровни, то есть продуцентов, консументов 1, 2 и 3 порядка и редуцентов. Занимать эти уровни могут самые разные виды.
Рис. 1. Пищевая сеть пруда
Важным показателем структуры сообществ являются трофические пирамиды – графические изображения соотношения биомасс разных трофических уровней или численности особей этих уровней.
Пирамиды численности
Пирамида численности отражает численность организмов на каждом уровне. Например, чтобы прокормить одного волка, необходимо несколько зайцев, а чтобы прокормить этих зайцев, нужно большое количество разнообразных растений (рис. 2).
Рис. 2. Пирамида численности показывает соотношение численности особей на разных уровнях пищевой цепи
Иногда пирамиды численности могут быть обращенными или перевернутыми, как, например, в трофической пирамиде леса. В этом случае продуцентов, то есть деревьев, гораздо меньше, чем первичных консументов – насекомых, поэтому такая пирамида будет перевернутой.
Пирамиды биомасс
Пирамиды биомасс – это соотношения масс организмов разных трофических уровней. Обычно в наземных биоценозах общая масса продуцентов больше, чем каждого последующего звена (рис. 3).
Рис. 3. Пирамида биомассы показывает соотношение биомассы организмов на разных уровнях пищевой цепи
В свою очередь, общая масса консументов 1-го порядка больше, нежели консументов 2-го и 3-го порядков. Если организмы не слишком различаются по размерам, то на графике получается ступенчатая пирамида с узкой верхушкой.
Так, для образования 1 кг говядины, необходимо 70–90 кг свежей травы.
Пирамиды энергии
Пирамида энергии показывает соотношение энергии, которая передается между трофическими уровнями в виде органического вещества. Между трофическими уровнями может передаваться, в лучшем случае, 30% энергии предыдущего уровня (рис. 4).
Рис. 4. Пирамида энергии показывает превращение солнечной энергии в энергию химических связей и перемещение энергии химических связей в биоценозе
Закон пирамиды энергии или закон десяти процентов
Американский ученый Р. Линдеман (рис. 5) сформулировал «Закон пирамиды энергии» или «Закон десяти процентов»: с одного трофического уровня через пищевые цепи на другой трофический уровень переходит в среднем около 10% энергии. Остальные 90% энергии тратятся при дыхании, на образование АТФ, которое расходуется для поддержания жизнедеятельности организма.
Рис. 5. Р. Линдеман
Так, если заяц съел 10 кг сухой растительной биомассы, то он сможет прирастить массу своего тела на 1 кг (при пересчете в сухую массу). А лисица, съевшая 1 кг зайчатины (в безводном эквиваленте), сможет нарастить 100 г собственной биомассы (без учета воды).
Усвояемость древесных растений ниже, чем трав и водорослей, за счет наличия плохо разлагающих полисахаридов, таких как лигнин и целлюлоза. Но общая закономерность остается прежней, на следующий уровень передается около 10% энергии предыдущего уровня.
Поэтому цепи питания могут достигать максимальной длины 4–5, редко 6 звеньев. А трофические пирамиды не бывают больше 5–6 этажей. К конечному звену длиной пищевой цепи так же, как и к нижнему этажу пищевой пирамиды будет поступать слишком мало энергии, которой окажется недостаточно для поддержания жизнедеятельности особей.
Что такое «энергия» для живых существ
Что такое «энергия» применительно к живым существам, и как эти существа могут обмениваться потоками энергии?
Имеется в виду энергия, которая требуется для создания органического вещества и расходуется в процессе жизнедеятельности. Соответственно, поток энергии – это количество живого вещества, которое передается с одного уровня на другой.
Трудноусвояемые ткани
Некоторые виды живых существ очень плохо усваиваются другими организмами.
Продуцент затрачивает большое количество энергии для производства вещества, а консумент не получает энергии при его употреблении.
В первую очередь, это касается целлюлозы растений и хитина членистоногих. Как правило, консументы не способны их усваивать, и лишь немногие организмы в состоянии переварить хитин и целлюлозу и получить из них энергию.
Водные цепи питания
В водных экосистемах цепи питания могут быть длиннее, чем в наземных. Это связано с большим разнообразием размерных групп хищников. То есть морской хищник может во много раз превосходить в размерах свою жертву. Часто его жертвой становится особь того же вида, но меньшего размера. В наземных условиях соотношение размера хищника и жертвы более существенно и звеньев в цепи питания меньше.