Цеп питания. Пищевые цепи и трофические уровни

Пищевой, или трофической цепью называют взаимоотношение между различными группами организмов (растениями, грибами, животными и микробами), в котором происходит транспорт энергии в результате употребления в пищу одних особей другими. Перенос энергии - основа нормального функционирования экосистемы. Наверняка эти понятия знакомы вам с 9 класса школы из курса общей биологии.

Особи последующего звена съедают организмы прошлого звена, и так происходит транспорт вещества и энергии по цепочке. Эта последовательность процессов лежит в основе живого круговорота веществ в природе. Стоит сказать, что огромная часть потенциальной энергии (примерно 85%) теряется при переносе от одного звена к другому, она диссипируется, то есть рассеивается в виде тепла. Этот фактор является лимитирующим по отношению к длине пищевых цепей, которые в природе обычно насчитывают 4-5 звеньев.

Виды пищевых взаимоотношений

Внутри экосистем органические вещества производятся автотрофами (продуцентами). Растения, в свою очередь, поедаются растительноядными животными (консументами первого порядка), которых затем съедают хищные животные (консументами второго порядка). Эта цепь питания из 3 звеньев является примером правильной пищевой цепи.

Различают:

Пастбищные цепи

Трофические цепи начинаются с авто- или хемотрофов (продуцентов) и включают гетеротрофов в виде консументов различных порядков. Такие пищевые цепи широко распространены в сухопутных и морских экосистемах. Их можно нарисовать и составить в виде схемы:

Продуценты —> Консументы I порядка —> Консументы I. I. порядка—> Консументы III порядка.

Типичным примером является пищевая цепь луга (это может быть и лесная зона, и пустыня, в этом случае будут отличаться лишь биологические виды различных участников трофической цепи и разветвлённость сети пищевых взаимодействий).

Итак, цветок с помощью энергии Солнца производит для себя питательные вещества, то есть является продуцентом и первым звеном в цепи. Бабочка, которая питается нектаром этого цветка - консумент I порядка и второе звено. Лягушка, также обитающая на лугу и являющаяся насекомоядным животным, съедает бабочку - третье звено в цепи, консумент II порядка. Лягушку проглатывает уж - четвёртое звено и консумент III порядка, ужа съедает ястреб - консумент IV порядка и пятое, как правило, последнее звено в пищевой цепочке. Человек может присутствовать в этой цепи также в роли консумента.

В водах Мирового океана автотрофы, представленные одноклеточными водорослями, могут существовать лишь до тех пор, пока сквозь толщу воды способен проникать солнечный свет. Это глубина 150-200 метров. Гетеротрофы могут жить и в более глубоких слоях, в ночное время поднимаясь к поверхности для подкормки водорослями, а утром вновь уходя на обычную глубину, совершая при этом вертикальные миграции до 1 километра в сутки. В свою очередь, гетеротрофы, являющиеся консументами последующих порядков, обитающие ещё глубже, утром поднимаются до уровня обитания консументов I порядка, чтобы питаться ими.

Таким образом, мы видим, что в глубоких водоёмах, как правило, морях и океанах, существует такое понятие, как «пищевая лестница». Его смысл заключается в том, что органические вещества, которые создаются водорослями в поверхностных слоях земли, переносятся по пищевой цепочке до самого дна. Учитывая этот факт, можно считать обоснованным мнение некоторых экологов о том, что весь водоём можно считать единым биогеоценозом.

Детритные трофические взаимосвязи

Чтобы понять, что такое детритная пищевая цепь, нужно начать с самого понятия «детрит». Детрит - это совокупность остатков отмерших растений, трупов и конечных продуктов обмена животных.

Детритные цепи являются типичными для сообществ внутриконтинентальных вод, дна озер, имеющих большую глубину, и океанов, многие представители которых питаются именно детритом, образованным остатками мёртвых организмов из верхних слоев или случайно попавших в водоем из экологических систем, находящихся на суше, в виде, например, листового опада.

Донные экологические системы океанов и морей, где нет продуцентов ввиду отсутствия солнечного света, и вовсе могут существовать только за счёт детрита, общая масса которого в Мировом океане за календарный год может достигать сотни миллионов тонн.

Также детритные цепи распространены в лесах, где немалая часть ежегодного прироста биомассы продуцентов не может быть употреблена в пищу непосредственно первым звеном консументов. Поэтому она отмирает, образуя опад, который, в свою очередь, разлагается сапротрофами, а затем минерализуется редуцентами. Важную в роль в образовании детрита лесных сообществ играют грибы.

Гетеротрофы, которые питаются непосредственно детритом - это детритофаги. В наземных экологических системах к детритофагам относят некоторые виды членистоногих, в частности насекомых, а также кольчатых червей. Крупных детритофагов среди птиц (грифов, ворон) и млекопитающих (гиен) принято называть падальщиками.

В экологических системах вод основную массу детритофагов составляют водные насекомые и их личинки, а также некоторые представители ракообразных. Детритофаги могут служить пищей для более крупных гетеротрофов, которые также, в свою очередь, в дальнейшем могут стать пищей для консументов высших порядков.

Звенья пищевой цепочки иначе называют трофическими уровнями. По определению это группа организмов, которая занимает конкретное место в пищевой цепочке и представляющая для каждого из последующих уровней источник энергии - пищу.

Организмами I трофического уровня в пастбищных пищевых цепях являются первичные продуценты, автотрофы, то есть растения, и хемотрофы - бактерии, использующие энергию химических реакций для синтеза органических веществ. В детритных же системах автотрофы отсутствуют, а I трофический уровень детритной трофической цепи образует собственно детрит.

Последний, V трофический уровень представлен организмами, которые потребляют мёртвые органические вещества и конечные продукты распада. Эти организмы называют деструкторами или редуцентами. Редуценты в основном представлены беспозвоночными животными, являющимися некро-, сапро- и копрофагами, использующими в пищу остатки, отходы и мёртвую органику. Также к этой группе относят растения-сапрофаги, которые разлагают листовой опад.

Ещё к уровню деструктуров относят гетеротрофные микроорганизмы, способные превращать органические вещества в неорганические (минеральные), образуя окончательные продукты - двуокись углерода и воду, которые возвращаются в экологическую систему и вновь вступают в природный круговорот веществ.

Значение пищевых взаимосвязей

Вступление

Яркий пример цепи питания:

Классификация живых организмов относительно роли в круговороте веществ

В любой цепи питания участвует 3 группы живых организмов:

Связи между организмами в цепи питания

Цепь питания, какой бы она ни была, создаёт тесные связи между разнообразными объектами как живой природы, так и неживой. И разрыв абсолютно любого её звена может привести к плачевным результатам и дисбалансу в природе. Самым важным и неотъемлемым компонентом любой цепи питания является солнечная энергия. Не будет её - не будет жизни. При перемещении по цепи питания эта энергия перерабатывается, и каждый из организмов делает её своей собственной, передавая следующему звену лишь 10%.

Умирая, организм попадает в другие схожие цепочки питания, и таким образом круговорот веществ продолжается. Все организмы могут спокойно выходить из одних цепочек питания и переходить в другие.

Роль природных зон в круговороте веществ

Естественно, организмы, проживающие в одной и той же природной зоне, создают друг с другом свои особенные цепочки питания, которые не могут повториться в какой-либо другой зоне. Так, цепь питания степной зоны, например, состоит из большого разнообразия трав и животных. Деревья цепь питания в степи в себя практически не включает, так как их либо очень мало, либо они низкорослые. А что касается животного мира, то тут преобладают парнокопытные, грызуны, соколы (ястребы и другие подобные пернатые) и различного рода насекомые.

Классификация цепей питания

Принцип экологических пирамид

Если рассматривать конкретно цепи, начинающиеся с растений, то весь круговорот веществ в них происходит от фотосинтеза, в процессе которого поглощается солнечная энергия. Большую часть этой энергии растения расходуют на свою жизнедеятельность, и лишь 10% переходит к следующему звену. В итоге каждому последующему живому организму требуется всё больше и больше существ (объектов) предыдущего звена. Это хорошо показывают экологические пирамиды, которые чаще всего используются в этих целях. Они бывают пирамидами массы, количества и энергии.

Пищевая цепь - это сложная структура звеньев, в которой каждое из них взаимосвязано с соседним или же каким-либо другим звеном. Этими составляющими цепочки являются различные группы организмов флоры и фауны.

В природе пищевая цепь - это способ движения вещества и энергии в среде. Все это необходимо для развития и "строительства" экосистем. Трофическими уровнями называется сообщество организмов, которое располагается на определенном уровне.

Биотический круговорот

Пищевая цепь является биотическим круговоротом, который объединяет живые организмы и компоненты неживой природы. Данное явление также называется биогеоценозом и включает в себя три группы: 1. Продуценты. Группа состоит из организмов, которые производят пищевые вещества для других существ в результате фотосинтеза и хемосинтеза. Продуктом данных процессов являются первичные органические вещества. Традиционно, продуценты являются первыми в пищевой цепи. 2. Консументы. Пищевая цепь располагает данную группу над продуцентами, поскольку они потребляют те питательные вещества, которые произвели продуценты. В данную группу входят различные гетеротрофные организмы, к примеру, животные, съедающие растения. Различают несколько подвидов консументов: первичные и вторичные. В разряду первичных потребителей можно отнести травоядных животных, а ко вторичным - плотоядных, которые поедают описанных ранее травоядных. 3. Редуценты. Сюда относятся организмы, которые разрушают все предыдущие уровни. Наглядным примером может стать случай, когда беспозвоночные и бактерии разлагают остатки растений или мертвые организмы. Таким образом, пищевая цепь завершается, но круговорот веществ в природе продолжается, поскольку в результате данных превращений образуются минеральные и другие полезные вещества. В дальнейшем образованные компоненты используются продуцентами для образования первичной органики. Пищевая цепьсложная структура, поэтому вторичные консументы запросто могут стать пищей для других хищников, которых причисляют к третичным консументам.

Классификация

Такая цепь имеет более сложную структуру связей, там даже возможно появление хищников четвертого порядка.

Пирамиды

Огромную роль в воспроизводстве жизни играет энергия Солнца. Количество этой энергии очень велико (примерно 55 ккал на 1 см 2 в год). Из этого количества продуценты — зеленые растения — в результате фотосинтеза фиксируют не более 1-2 % энергии, а пустыни и океан — сотые доли процента.

Число звеньев в пищевой цепи может быть различным, но обычно их 3-4 (реже 5). Дело в том, что к конечному звену пищевой цепи поступает так мало энергии, что ее не хватит в случае увеличения числа организмов.

Рис. 1. Пищевые цепи в наземной экосистеме

Совокупность организмов, объединенных одним типом питания и занимающих определенное положение в пищевой цепи, носит название трофический уровень. К одному трофическому уровню принадлежат организмы, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней.

Простейшая пищевая цепь (или цепь питания) может состоять из фитопланктона, затем идут более крупные травоядные планктонные ракообразные (зоопланктон), а заканчивается цепь китом (или мелкими хищниками), которые фильтруют этих ракообразных из воды.

Природа сложна. Все ее элементы, живые и неживые, — одно целое, комплекс приспособленных друг к другу, взаимодействующих и взаимосвязанных явлений и существ. Это звенья одной цепи. И если удалить из общей цепочки хотя бы одно такое звено, результаты могут быть непредвиденными.

Особенно негативно разрыв цепей питания может сказаться на леса — будь то лесные биоценозы умеренной зоны либо отличающиеся богатым видовым разнообразием биоценозы тропического леса. Многие виды деревьев, кустарников или травянистых растений пользуются услугами определенного опылителя — пчелы, осы, бабочки или колибри, обитающих в пределах ареала данного растительного вида. Как только погибнет последнее цветущее дерево или травянистое растение, опылитель вынужден будет покинуть данное местообитание. В результате погибнут питающиеся этими растениями или плодами дерева фитофаги (травоядные). Без пиши останутся охотившиеся на фитофагов хищники, а далее изменения последовательно коснутся остальных звеньев пищевой цепи. В итоге они скажутся и на человеке, поскольку у него есть свое определенное место в пищевой цепи.

Пищевые цепи можно разделить на два основных типа: пастбищную и детритную. Пищевые цени, которые начинаются с автотрофных фотосинтезирующих организмов, называются пастбищными, или цепями выедания. На вершине пастбищной цепи стоят зеленые растения. На втором уровне пастбищной цепи обычно находятся фитофаги, т.е. животные, питающиеся растениями. Примером пастбищной пищевой цепи могут служить взаимоотношения между организмами на пойменном лугу. Начинается такая цепь с лугового цветкового растения. Следующее звено — бабочка, питающаяся нектаром цветка. Затем идет обитатель влажных местообитаний — лягушка. Ее покровительственная окраска позволяет ей подстеречь жертву, но не спасает от другого хищника — обыкновенного ужа. Цапля, поймав ужа, замыкает пищевую цепь на пойменном лугу.

Если пищевая цепь начинается с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных — детрита, она называется детритной , или цепью разложения. Термин «детрит» означает продукт распада. Он позаимствован из геологии, где детритом называют продукты разрушения горных пород. В экологии детрит — это органическое вещество, вовлеченное в процесс разложения. Такие цепи характерны для сообществ дна глубоких озер, океанов, где многие организмы питаются за счет оседания детрита, образованного отмершими организмами верхних освещенных слоев водоема.

В лесных биоценозах детритная цепь начинается с разложения мертвого органического вещества животными-сапрофагами. Наиболее активное участие в разложении органики здесь принимают почвенные беспозвоночные животные (членистоногие, черви) и микроорганизмы. Присутствуют и крупные сапрофаги — насекомые, которые готовят субстрат для организмов, осуществляющих процессы минерализации (для бактерий и грибов).

В отличие от пастбищной цепи размеры организмов при движении вдоль детритной цепи не возрастают, а, наоборот, уменьшаются. Так, на втором уровне могут стоять насекомые-могильщики. Но наиболее типичными представителями детритной цепи являются грибы и микроорганизмы, питающиеся мертвым веществом и довершающие процесс разложения биоорганики до состояния простейших минеральных и органических веществ, которые затем в растворенном виде потребляются корнями зеленых растений на вершине пастбищной цепи, начиная тем самым новый круг движения вещества.

В одних экосистемах преобладают пастбищные, в других — детритные цепи. Например, лес считается экосистемой с преобладанием детритных цепей. В экосистеме гниющего пня пастбищная цепь вообще отсутствует. В то же время, например, в экосистемах поверхности моря практически все продуценты, представленные фитопланктоном, потребляются животными, а их трупы опускаются на дно, т.е. уходят изданной экосистемы. В таких экосистемах преобладают пастбищные пищевые цепи, или цепи выедания.

Общее правило , касающееся любой пищевой цепи, гласит: на каждом трофическом уровне сообщества большая часть поглощаемой с пищей энергии тратится на поддержание жизнедеятельности, рассеивается и больше не может быть использована другими организмами . Таким образом, потребленная пища на каждом трофическом уровне ассимилируется не полностью. Значительная ее часть расходуется на обмен веществ. При переходе к каждому последующему звену пищевой цепи общее количество пригодной для использования энергии, передаваемой на следующий, более высокий трофический уровень, уменьшается.

Все живые существа нашей планеты связаны между собой одной из самых прочных связей – пищевой. То есть кто-то для кого-то является пищей или говоря научным языком – кормовой базой. Травоядные едят растения, самих травоядных едят хищники, которых также в свою очередь могут поедать другие, более крупные и сильные хищники. Эти своеобразные пищевые связи в биологии принято называть цепями питания. Понимание того, как работает экосистема цепи питания, дает ученым биологам представление о различных нюансах живых организмов, помогает объяснить поведение некоторых животных, понять, откуда растут ноги у тех или иных повадок наших четвероногих друзей.

Виды цепей питания

В целом различают два основных вида цепей питания: цепь выедания (она же пастбищная цепь питания) и детритная цепь питания, которую еще называют цепью разложения.

Пастбищная цепь питания

Пастбищная цепь питания в целом проста и понятна, ее суть кратко описана в начале статьи: растения служат пищей для травоядных животных и в научной терминологии зовутся продуцентами. Травоядные, поедающие растения называются консументами (из латинского это слово переводится как «потребители») первого порядка. Мелкие хищники являются консументами второго порядка, а более крупные уже третьего. В природе встречаются и более длинные цепи питания, насчитывающие пять и больше звеньев, такие встречаются в основном в океанах, где более крупные (и прожорливые) рыбы поедают более мелких, те в свою очередь едят еще более мелких и так вплоть до водорослей. Замыкает звенья цепи питания особенное счастливое звено, которое уже никому не служит пищей. Обычно это человек, разумеется, при условии, что он осторожен и не пытается плавать с акулами или гулять со львами)). А если серьезно, то такое замыкающее звено питание в биологии называется редуцентом.

Детритная цепь питания

А вот тут все происходит немножечко наоборот, а именно поток энергии цепи питания идет в противоположную сторону: крупные животные, будь-то хищники или травоядные умирают и разлагаются, их останками питаются более мелкие животные, различные падальщики (например, гиены), которые в свою очередь также умирают и разлагаются, и их бренные останки аналогично служат пищей, или, для еще более мелких любителей мертвячины (например, некоторых видов муравьев), или же для разных специальных микроорганизмов. Микроорганизмы, перерабатывая останки, выделяют специальную субстанцию, называемую детритом, отсюда и название этой цепи питания.

Более наглядная схема цепи питания представлена на картинке.

О чем говорит длина цепи питания

Исследование длины цепи питание дает ученых ответы на многие вопросы, например, о том, насколько благоприятна среда обитания животных. Чем благоприятнее среда обитания, тем длиннее будет природная цепь питания в силу обилия различных животных, служащих пищей друг другу. Но самая длинная цепь питания у рыб, и других обитателей океанических глубин.

Что лежит в основе цепи питания

В основе любой цепи питания лежат пищевые связи и энергия, которая передается с поеданием одного представителя фауны (или флоры) другим. Благодаря полученной энергии потребители могут продолжать свою жизнедеятельность, но в свою очередь также становятся зависимыми от своей пищи (кормовой базы). Например, когда происходит знаменитая миграция леммингов, служащих пищей для различных арктических хищников: лис, сов, происходит сокращение популяции не только самих леммингов (массово погибающих во время этих самых миграций) но и хищников, питающихся леммингами, а часть из них даже мигрирует вместе с ними.

Цепи питания, видео фильм

И в дополнение предлагаем вам образовательное видео о значении цепей питания в биологии.