Трофические уровни. Цепи и сети питания, их звенья
Трофический (пищевой) уровень — комплекс организмов с одинаковым типом питания, занимающих определенное положение в пищевой цепи.
Пищевая цепь — последовательность живых организмов, способных передавать питательные вещества и энергию от продуцентов (растений) к консументам (хищникам). Соседние звенья пищевой цепи формируют отношения по принципу «пища — потребитель». То есть, если одна группа организмов становится пищей для другой группы, звенья будут сцеплены.
Классификация трофических уровней:
- первый — образуют продуценты (фотосинтезирующие растения);
- второй — консументы I порядка (травоядные животные: овцы, зайцы, насекомые);
- третий — консументы II порядка (первичные хищники, для которых пищей служат травоядные животные: змея, поедающая грызунов, или волк, питающийся кроликом);
- четвертый — консументы III порядка (хищники, питающиеся консументами II порядка, или вторичные хищники: сова, поедающая змей).
Особи одного вида могут занимать несколько трофических уровней в зависимости от источников пищи (например, белый медведь, потребляя ягоды, считается консументом I порядка, но, поедая грызуна, становится консументом II порядка).
Вершину пищевой цепи обычно занимают высшие хищники, которые, как правило, не имеют серьезных врагов (например, крокодил или акула).
Заключенная в одних организмах энергия потребляется другими организмами в процессе круговорота веществ. Перенос энергии и пищи от ее источника — автотрофов (продуцентов) через ряд организмов происходит по пищевой цепи, путем поедания одних организмов другими. Пищевая цепь — это ряд видов или их групп, каждое предыдущее звено в котором служит пищей для следующего. Число звеньев в ней может быть различным, но обычно их бывает 3 — 5.
Пищевые цепи подразделяются на:
- пастбищные;
- детритные.
Пастбищные пищевые цепи – это цепи выедания. Основным источником пищи здесь являются зеленые растения (продуценты).
Например, трава (автотроф) → заяц → лиса. Такие пищевые цепи находятся в непосредственной зависимости от солнечной энергии. Круговорот веществ и энергии в природе определяется пастбищными пищевыми цепями.
Детритные пищевые цепи – это цепи разложения, где в качестве главного источника пищи используются отмершие останки. Органические останки, или детрит, формируют начало детритных пищевых цепей.
Например, листовой опад (детрит) → дождевой червь → дрозд → ястреб-перепелятник. Этот тип пищевой цепи меньше зависит от энергии Солнца. Главный фактор существования данной цепи — приток органических веществ из другой системы. Детритные пищевые цепи осуществляют накопление веществ и энергии в экосистеме.
Значение пищевой цепи:
- изучение пищевых цепей позволяет проследить кормовые взаимодействия между разными организмами в экосистеме;
- знания о пищевых цепях дают возможность оценить механизм движения энергии и проследить перемещение веществ в экосистеме.
Пищевые цепи не изолированы друг от друга. Они взаимодействуют между собой, формируя пищевые сети. Пищевая сеть– это условное образное обозначение трофических взаимоотношений продуцентов, консументов и редуцентов в сообществе. Оценивая схемы пищевых цепей, можно отметить, что каждый организм питается только каким-то определенным организмом. На самом деле, это не всегда так. Как правило, живые организмы могут использовать в качестве источника пищи организмы из разных популяций. Даже организмы из смежных пищевых цепей могут выступать для них компонентом питания. Таким образом, возможно переплетение пищевых цепей с образованием пищевых сетей.
Типы организмов по их роли в биоценозе
Основой любого биоценоза являются трофические связи, осуществляющиеся живыми организмами. Соответственно по типу питания можно выделить три группы существ: автотрофы и гетеротрофы, а также миксотрофы.
- К группе автотрофов относят организмы, способные самостоятельно образовывать органические вещества. Питание автотрофов заключается в потреблении солнечного света и неорганических веществ. Эти организмы являются создателями биологической продукции в экосистеме, поэтому их относят к продуцентам.В пищевой цепи продуценты всегда являются начальным звеном.
Какие организмы относят к продуцентам? Конечно же, это зеленые растения, у которых есть органы фотосинтеза – листья.
Появление автотрофов на земле способствовало обогащению атмосферы самым необходимым газом– кислородом. Соответственно, роль продуцентов состоит не только в производстве биологической продукции, но и в выработке кислорода, используемого другими существами для дыхания.
- Потребителями готового вещества в процессе питания являются гетеротрофы. К ним относятся все животные, грибы и большая часть бактерий. По способу питания гетеротрофы подразделяются на несколько категорий: консументы, детритофаги и редуценты.
- Консументы являются потребителями органического вещества живых организмов. К ним принадлежат животные. В пищевой цепи различают несколько типов консументов, познакомимся с ними на схеме.
- Детритофаги – организмы, питающиеся мертвыми органическими веществами. К этим гетеротрофам принадлежат различные гнилостные бактерии, грибы, черви, личинки насекомых и другие организмы.
- Редуценты завершают работу детритофагов, способствуя разложению останков продуцентов и консументов. Редуцентами в экосистеме считаются бактерии и низшие грибы. В пищевой цепи редуценты являются последним, завершающим звеном.
Существование всех этих групп организмов невозможно друг без друга. Отсутствие продуцентов в экосистеме, привело бы к недостатку кислорода и к гибели консументов от удушья. Отсутствие готовых, синтезированных продуцентами органических веществ явилось бы причиной гибели растительноядных, а затем и плотоядных консументов.
Если бы на планете не было животных, то уменьшилось бы количество углекислого газа, что создало бы трудности для процесса фотосинтеза. Однако существование всех живых организмов вряд ли бы было возможным без детритофагов и редуцентов. Детритофаги выполняют функцию очищения биоценоза и способствуют образованию почвы.Редуценты в процессе разложения освобождают вещества, необходимые для питания растений. Таким образом, все эти группы тесно взаимосвязаны между собой.
Следует остановиться еще на одной группе организмов, миксотрофах, которые способны осуществлять питание автотрофным и гетеретрофным способами. Примерами миксотрофов можно считать некоторые группы бактерий, растения-паразиты, а также насекомоядные растения.
Зачем нужны продуценты
С них начинается зарождение жизни. Во всех смыслах этого слова. Первыми живыми организмами на земле были именно продуценты, которые могли сами себя обеспечивать органическими веществами. Они усиленно размножались, их становилось все больше, масса органики на земле постоянно нарастала.
А потом появились две другие категории организмов. Они обе стали потреблять органические вещества в готовом виде (то есть они все – гетеротрофы), но немного по-разному. Консументы стали поедать продуцентов и других консументов, не разлагая их до конца. А редуценты – бактерии и грибы – стали «доедать» то, что оставалось и вдобавок разлагать мертвых живых существ – умерших продуцентов и умерших консументов. И своих сородичей-редуцентов, которые умирали, тоже.
С продуцентов начинается развитие любого биогеоценоза. Например, появляется где-то в океане большой-большой остров. Сначала он пустынный, на нем ничего нет. А потом на этой пустынной земле появляются первые продуценты – лишайники, затем травянистые растения, кустарники, деревья.
Если остров не совсем отрезан от суши, то на него могут прийти звери и прилететь птицы. Если полностью отрезан, то на нем будут только продуценты (растения) и редуценты (бактерии), которые будут разлагать мертвые растения, чтобы эта мертвая масса не накапливалась.
Продуцентов в любом биогеоценозе всегда большинство. Если предположить, что продуценты каким-то образом будут полностью уничтожены, то биогеоценоз исчезнет.
Приведу такой грубый пример: на земле растет трава (продуцент), ее едят овцы (консументы), волки едят овец (консументы), бактерии и грибы доедают то, что остаются и разлагают мертвых продуцентов и консументов. Если будут съедены все растения, овцы умрут от голода, за ними умрут волки (тоже от голода), бактерии и грибы постепенно переварят их всех и то же умрут.
Всё. Все умерли.
Видовая структура экосистем
Понятие видовой структуры экосистемы характеризует количество населяющих ее видов живых организмов, соотношение их численности и видовое разнообразие, от которого зависит заполняемость экологических ниш сообщества. Причем большинство видов занимают разные экологические ниши в зависимости от стадии своего жизненного цикла.
Также следует учитывать еще и генетическое разнообразие (генетическую изменчивость), влияющее на способность организмов к адаптации к изменяющимся условиям.
Кроме того, для существования экосистемы большое значение имеет экологическое (или поведенческое) разнообразие, зависящее от следующих факторов:
- сложность организации организмов;
- способность организмов к созданию структур (строительство гнезд, объединение в стаи и т.п.);
- для высших животных и человека — гибкость инстинктов, уровень психического развития, наличие разума.
Преобладающие по численности и значимости в экосистеме виды называются доминантами; организмы, занимающиеся основным строительством в сообществе — эдификаторами. Часто эдификатором является доминирующий вид. Кроме того, существуют виды, организующие условия для существования других организмов — индикаторы.
В естественных условиях разнообразие видов накапливается за многие тысячи или миллионы лет, так что этот показатель в конкретной экосистеме также зависит от ее возраста. Однако пагубная деятельность человека, особенно в последнее время, все чаще ведет к нарушению устойчивости экосистем (вырубка лесов, пожары, браконьерство и т.д) и обедняет видовое разнообразие природы, а это уже чревато крайне печальными последствиями для самого человека, такими, как, например, нашествие крыс или опасных насекомых, стихийные бедствия или появление новых тяжелых заболеваний.
Продуценты, консументы, редуценты
Согласно функциональной классификации живых организмов, их подразделяют на три основные группы:
- продуцентов,
- консументов,
- редуцентов.
Первые продуцируют органические вещества из неорганических, вторые подвергают их различным преобразованиям, миграции, концентрации и т.д., а третьи – разрушают в процессе минерализации до образования простейших неорганических соединений. Рассмотрим роль этих групп организмов в круговороте веществ более подробно.
Продуценты
К группе продуцентов относятся автотрофы (фототрофы – в основном растения, и хемотрофы – преимущественно некоторые бактерии). В наземных экосистемах продуценты являются доминантами по массе, численности (не всегда) и энергетической роли в экосистемах. В водных экосистемах по биомассе они могут и не доминировать, однако по численности и роли в сообществе остаются доминантами.
Результатом деятельности продуцентов в экосистемах является валовая биологическая продукция – суммарная или общая продукция особей, сообществ, экосистем или биосферы в целом, включая расходы на дыхание.
Если исключить расход энергии на обеспечение жизнедеятельности самих продуцентов, то остается чистая первичная продукция. На всей территории суши она составляет 110-120 млрд. т сухого вещества, а моря 50-60 млрд. т.
Первичная валовая продукция в два раза больше.
Количество валовой (и чистой) первичной продукции экосистем и биосферы в целом определяется проективным покрытием территории продуцентами (максимально – до 100% в лесах, и даже более, поскольку существует ярусность, и одни продуценты находятся под пологом других), и эффективностью фотосинтеза, которая очень низка. Для образования биомассы используется лишь около 1% солнечной энергии, поступившей на поверхность растительного организма, обычно существенно меньше.
Консументы
Консументы, в противоположность продуцентам, всегда гетеротрофны, питаются готовыми органическими феществами. К ним относятся животные, некоторые грибы и бактерии (ведущие паразитический образ жизни, т.е.
питающиеся живыми растениями или животными, вызывая их заболевания и гибель, большинство грибов и бактерий относятся к редуцентам), а также некоторые растения, лишенные хлорофилла и ведущие паразитический образ жизни за счет других растений.
Пищей для консументов служат продуценты (для консументов первого порядка) или другие консументы (для консументов второго и последующих порядков).
Подразделение консументов на порядки иногда встречает определенные трудности, когда, например, состав пищи какого-либо вида включает как растительный корм, так и животный, причем добываемые ими консументы сами могут относиться к разным порядкам.
Однако в каждый определенный момент времени любой консумент относится к вполне определенному порядку.
В различных экосистемах на долю консументов приходится разное количество перерабатываемой первичной продукции. Так, в лесных сообществах консументами суммарно потребляется от 1% до 10% чистой первичной продукции растений, редко больше.
Остальная органика идет в опад за счет гибели растений и их частей (например, опавшие листья), и частично также потребляется консументами (детритная цепь питания), частично перерабатывается редуцентами.
В открытых травянистых сообществах (луга, степи, пастбища) консументами может потребляться до 50% биомассы живых растений (обычно существенно меньше). Близкие показатели характерны для прибрежных сообществ океанов (где продуцентами служат водоросли-макрофиты) и пресноводных экосистем.
В пелагических океанических сообществах, основанных на фитопланктоне, консументами выедается до 90% формируемой продуцентами биомассы.
Замечание 1
Ассимилированная продукция консументов – съеденная пища минус органическое вещество экскрементов. В свою очередь чистая продукция консумента любого уровня – это ассимилированная чистая продукция за вычетом расходов на дыхание.
Редуценты
Редуценты (редукторы) – неотъемлемая часть любой экосистемы.
Они разрушают высокомолекулярные органические вещества отмерших организмов и используют высвобождающуюся при этом энергию для собственной жизнедеятельности, при этом в биотический круговорот возвращаются минеральные вещества, которые затем вновь используются продуцентами. Как правило, редуценты имеют мелкие размеры.
Иногда выделяют группу так называемых макроредуцентов, включая в нее всех относительно крупных потребителей отмершей органики, которые входят в состав детритной пищевой цепи. При таком понимании к редуцентам относят многих беспозвоночных – насекомых, червей и т.д.
Растения-полупаразиты
Их рационом также являются питательные вещества растения-хозяина, к которому паразиты присасываются корнями или стеблями. Но полупаразиты обладают способностью к фотосинтезу. И еще, если растение-хозяин погибнет, сорняки-полупаразиты продолжают жить на нем самостоятельно. Примером является омела, у которой есть хлорофилл, и она обладает способностью к фотосинтезу. Какую-то часть пищи этот полупаразит добывает самостоятельно, пуская вглубь ткани растения-хозяина присоски.
Омела насчитывает много разновидностей, и почти все из них паразитируют на деревьях. Причем омела одного и того же вида спокойно живет на разных деревьях. Но в природе существуют такие подвиды, которые приспособлены к какой-то одной породе дерева. Например, если росток омелы сосновой поселится на груше и начнет разрушать ее, ткани дерева-хозяина омертвеют, а омела погибнет.
Уровни (звенья) пищевой (трофической) цепи
В пищевой цепи, как и говорилось выше, в основном четыре или пять уровней, каждый из которых отличается по значимости и их представителям. Некоторые живые организмы в один и тот же момент могут относиться сразу к нескольким уровням, но это больше исключение из правил, поэтому говорить о них не имеет смысла. Ниже будут перечислены пять основных уровней трофической цепи, благодаря которым биосфера функционирует до сих пор без особых перебоев:
Первый трофический уровень
Любой процесс должен с чего-то начинаться, поэтому в начале пищевой цепи лежит первый трофический уровень. Он состоит из автотрофных организмов (продуцентов), которые для своего выживания генерируют пищу из солнечной энергии или химических реакций. Основными представителями можно назвать практически все растения, поскольку фотосинтез – это то, чего попросту не может быть у животных или бактерий.
Второй трофический уровень
После первого уровня начинается второй, что вполне логично. К нему относятся все растительноядные потребители, которые в свою пищу употребляют растения. В основном это гусеницы, насекомые, небольшие животные, такие как зайцы или овцы, а также множество других живых организмов. Данный уровень можно назвать промежуточным, ведь его представители не настолько сильные, чтобы питаться другими гетеротрофами или деструкторами, но у них в то же время есть возможность съедать автотрофов.
Третий трофический уровень
К третьему уровню относится большинство не самых больших, но и не слабых животных, которые питаются травоядными. Их называют вторичными потребителями или хищниками. Больше нельзя сказать что-то об этом уровне, поскольку к нему принадлежит слишком большое количество живых организмов.
Четвертый трофический уровень
Четвертый уровень является пристанищем сильных хищников, которые без особых проблем съедают представителей второго и третьего. У них есть естественные враги, но их количество очень мало, поскольку именно эти живые организмы получают способность к сопротивлению и защите от других. Например, к ним относятся совы, которые поедают змей, а те в свою очередь питаются зайцами или другими грызунами. Таким образом можно заметить закономерность и последовательность, ведь зайцы питаются растениями. Вот и всё, четыре шага, четыре уровня, четыре живых организма.
Пятый трофический уровень
Это последних из основных звеньев. Представителей данной группы называют высшими хищниками или даже суперхищниками. У животных, относящихся к пятому уровню, нет естественных врагов. Они являются королями своей экосистемы и могут делать всё, что захотят.
К тому же, примечательным можно назвать тот факт, что после смерти какого-либо организма, его труп съедают детритофаги, а остатки разлагаются при помощи редуцентов. Пищевая цепь полностью последовательна, ведь разложенные деструкторами остатки отправляются обратно в почву, а ими уже питаются растения, т.е. представители первого уровня, и вся цепь начинается по новой. Именно поэтому можно с уверенностью сказать, что пищевая цепь является замкнутой системой, в которой есть свой круговорот питательных веществ.
Некоторые живые организмы могут кочевать от одного уровня к другому, в зависимости от экосистемы, в которой они обитают. Из самого понятного примера можно привести медведя, который относится к пятому уровню и считается высшим хищником. Это животное нередко ест ягоды, а значит выступает в качестве представителя травоядных и относится ко второму уровню, но это ведь не значит, что вторичные потребители сумеют его съесть. Кстати, человек лишь за один день может изменить своё местоположение в цепи несколько раз.
Структура пищевой цепи
Отдельные организмы делятся на три группы: производителей, потребителей и деструкторов с точки зрения их уровня трофеев в материальном цикле. Трофейные уровни представляют собой звенья цепи питания. Каждый уровень включает в себя все организмы с одинаковым положением в пищевой цепи.
Продуценты
Отправной точкой являются производители, которые вообще не питаются другими организмами, но могут служить им в качестве пищи. Это растения, водоросли, цианобактерии, фитопланктон. Они строят сложные органические соединения из простых неорганических веществ, находящихся в воде, почве и воздухе, используя энергию солнца. Этот процесс называется фотосинтезом, потребляется углекислый газ и выпускается кислород в воздух. Таким образом, продуценты формируют первое звено цепи питания экосистемы. В воде растительную основу составляют в основном зеленые водоросли, на суше преобладают высшие растения.
Цепь питания — продуценты
Консументы
Потребители — следующие звенья пищевых связей. В отличие от растений, животные не могут вырабатывать органические соединения из энергии солнца, неорганических веществ. Поэтому должны поглощать органику, чтобы получать энергию, белковые соединения, жиры и углеводы для развития и поддержания их жизненно важных функций. К консументам относятся травоядные (фитофаги) и хищники (зоофаги). Между ними расположены всеядные животные, к которым принадлежит и человек. В зависимости от сложности цепи питания организмов, выделяют несколько порядков потребителей: основной, первичный, вторичный и т.д.
Деструкторы
Конец цепи питания образуют бактерии, грибки и многие почвенные организмы, которые разрушают мертвые органические вещества и используют их для производства неорганических веществ, необходимых растениям для восстановления органических соединений.
деструкторы в пищевой цепи
Симбиоз и паразитизм в пищевой цепи
Тем не менее, более половины всех типов планеты живет внутри или на телах других организмов. Эта тесная связь между особями разных видов может быть как для взаимной выгоды (симбиоз), так и для одностороннего преимущества (паразитические виды).
Лишайник подходит в качестве примера симбиоза. Лишайники состоят из водорослей и грибов. Водоросли производят углеводы в процессе фотосинтеза, которые поглощаются грибами. Грибы, в свою очередь, обеспечивают водоросли водой и питательными солями. Омела, с другой стороны, является примером паразита. Она проникает в дерево хозяина и извлекает минералы и воду.
Симбиоз в природе
Продуценты
Продуценты — это зеленые растения ( автотрофы), которые под влиянием солнечной энергии в процессе фотосинтеза с помощью хлорофилла из воды и углекислого газа образуют сахара и выделяют кислород.
Продуценты ( производители) — живые существа, способные из неорганических материалов среды строить органические вещества. Такую работу выполняют главным образом зеленые растения, производящие с помощью солнечной энергии из углекислого газа, воды и минеральных веществ органические соединения. Этот процесс называют фотосинтезом. При нем высвобождается кислород. Органические вещества, производимые растениями, идут в пищу животным и человеку, кислород используется для дыхания.
Продуценты ( производители) — живые существа, строящие из неорганических материалов вещества, идущие в пищу животным и человеку, к ним относятся зеленые растения, осуществляющие фотосинтез.
Продуценты улавливают солнечную энергию и переводят ее в энергию химических связей. Консументы, поедая продуцентов, разрывают эти связи. Высвобожденная энергия используется консументами для построения собственного тела. Наконец, редуценты рвут химические связи разлагающегося органического вещества и строят свое тело. В результате вся энергия, запасенная продуцентами, оказывается использованной. Органические вещества разлагаются на неорганические и возвращаются к продуцентам. Таким образом, структуру экосистемы образуют три уровня ( продуценты, консументы, редуценты) трансформации энергии и два круговорота — твердых и газообразных веществ.
Продуценты в данной экосистеме представлены стрелолистом и прикрепленными водорослями.
Продуценты ( производи гели) живые существа, способные из неорганических материалов среды строить органические вещества. При нем высвобождается кислород. Органические вещества, производимые растениями, идут в пищу животным и человеку, кислород используется для дыхания.
Продуценты ( производители) — автотрофные организмы и зеленые растения, которые, используя солнечную энергию, создают первичную продукцию живого вещества. Они потребляют углекислый газ, воду, соли и выделяют кислород. К этой группе принадлежат некоторые бактерии хемосептики, способные создавать органическое вещество.
Продуценты сильно варьируют по размерам, а любому экземпляру травянистого вида, водоросли или дерева приходится придавать одинаковый статус.
Продуценты ( производители) — автотрофные организмы и земные растения, которые, используя солнечную энергию, создают первичную продукцию живого вещества.
Продуценты — зеленые растения, создающие путем фотосинтеза из биогенных неорганических элементов органическое вещество, т.е. биологическую продукцию.
Продуценты ( производители) — автотрофные организмы, создающие органические вещества из неорганических. Основным продуцентом в биосфере являются зеленые растения.
Продуценты — организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических с использованием внешних источников энергии. Так как продуценты сами производят органическое вещество, их называют автотрофами — самопитающимися, в отличие от всех остальных организмов, которые называют гетеротрофами — питаемыми другими.
Продуценты, консументы, детритофаги и редуценты экосистемы, поглощая и выделяя различные вещества, взаимодействуют между собой четко и согласованно. Органические вещества и кислород, образуемые фотосинтезирующими растениями, — важнейшие продукты питания и дыхания консу-ментов. В то же время выделяемые консументами диоксид углерода и минеральные вещества навоза и мочи являются биогенами, столь необходимыми продуцентам. Поэтому вещества в экосистемах совершают практически полный круговорот, попадая сначала в живые организмы, затем в абиотическую среду и вновь возвращаясь в живое.
Продуценты ( производители) — живые существа, способные из неорганических материалов среды строить органические вещества. Такую работу выполняют главным образом зеленые растения, производящие с помощью солнечной энергии из углекислого газа, воды и минеральных веществ органические соединения. Этот процесс называют фотосинтезом, При нем высвобождается кислород. Органические вещества, производимые растениями, идут в пищу животным и человеку, кислород используется для дыхания.
Продуценты в странах Персидского залива из-за ограниченной емкости рынков СПГ в Азии расширяют продажи в Европе и США, причем по ценам существенно ниже, чем в Японии. С середины 90 — х гг. начали вводиться в эксплуатацию значительно более эффективные современные заводы по сжижению.
Материальный цикл
Вдоль всей цепочки консументы также потребляют подавляющее большинство питательных веществ, необходимых для создания биомассы. Оборот углерода непосредственно связан с оборотом энергии. Азот должен быть взят как часть белков, фосфор необходим для многих жизненно важных биологических функций (для синтеза ДНК и РНК). Сбалансированное потребление этих элементов может быть проблемой для травоядных. Например, древесина содержит много полезной энергии в форме восстановленного углерода (целлюлоза), но обычно мало пригодного для использования азота или фосфора.
Хотя биомасса, количество особей и доступная энергия резко уменьшаются с каждым уровнем трофея, ядовитые вещества и многочисленные загрязнители, могут накапливаться с каждым уровнем. Каждое животное на высоком уровне должно есть много добычи с более низких звеньев, чтобы удовлетворить свои энергетические потребности. В результате хищник поглощает все токсины, присутствующие в организме, от каждой жертвы. Поскольку человек находится в конце большинства цепей питания, в нем накапливается большое количество ядов, которые ранее не оказывали влияния на животных на более низких уровнях трофеев.