Поток энергии и цепи питания

Поток энергии. Для осуществления любых жизненных про­цессов необходима энергия. Единственным источником энергии для зеленых растений является Солнце.

Солнечная энергия, падающая на фотосинтезирующие орга­ны растений, аккумулируется во вновь образующихся органиче­ских соединениях. Эта энергия используется продуцентами по-разному. Часть ее тратится на дыхание, т. е. на биологическое окисление, часть запасается в виде вновь возник­шей биомассы. Биомасса это масса организмов определенной группы или сообщества в целом.

Некоторую долю созданной продуцентами биомассы съедают травоядные животные. Хищники потребляют травоядных живот­ных и получают долю энергии. Большая часть энергии, получен­ная консументами с пищей, тратится на процессы, происходящие в клетках, а также выводится с продуктами жизнедея­тельности в окружающую среду. Меньшая часть энергии идет на увеличение массы тела, рост и размножение.

Часть биомассы продуцентов, не съеденная животными, отмирает, и с отмершей биомассой аккумулированная в ней энер­гия поступает в почву в виде растительного опада.

Растительный и животный спад (трупы + экскременты) — пища редуцентов. Определенное количество энергии запасается в биомассе редуцентов, а часть рассеивается. Редуценты отми­рают, и их клетки также разлагаются. Из продуктов разложения строятся органические вещества почвы. В этих соединениях за­пасается энергия, которая частично тратится затем на процессы разрушения минеральных соединений.

Таким образом, энергия аккумулируется на уровне продуцен­тов, проходит через консументы и редуценты, входит в состав ор­ганических веществ почвы и рассеивается при разрушении ее разнообразных соединений.

Разобранный пример относится к наземным экосистемам. Подобным же образом происходят процессы и в водных экосистемах. Через любую экосистему проходит поток энергии, определенная часть которой используется каждым живым существом.

Цепи питания. Перенос энергии от ее источника (растений) через ряд организмов называют пищевой цепью. Все живые ор­ганизмы связаны между собой энергетическими отношениями, поскольку являются объектами питания других организмов. Тра­воядные животные (потребители первого порядка) поедают рас­тения, первичные хищники (потребители второго порядка) поеда­ют травоядных, вторичные хищники (потребители третьего по­рядка) поедают хищников помельче. Таким образом, создаются пищевые цепи из продуцентов и консументов, которые на разных этапах, смыкаются с сообществом редуцентов (рис. 3).

Пищевые цепи разделяют на два типа. Один тип пищевой це­пи начинается с растений и идет к растительноядным животным и далее к хищникам. Это так называемая цепь выедания (паст­бищная). Другой тип начинается от растительных и животных остатков, экскрементов животных и идет к мелким животным и микроорганизмам, которые ими питаются. В результате дея­тельности микроорганизмов образуется полуразложившаяся масса — детрит. Такую цепь называют цепью разложения (детритной).

На суше пищевые цепи первого типа состоят обычно из 3— 5 звеньев, например: растения -> овца ->- человек — трехзвенная цепь; растения -*- кузнечики -«- ящерицы -«- ястреб — четырехзвенная цепь; растения -«- кузнечикиv лягушки-«- змеи -«—" — орел — пятизвенная цепь. Через пищевые цепи биогеоценозов суши подавляющее количество прироста растительной биомассы поступает через опад в цепи разложения.

В морях распространены такие типы цепей: фитопланктон ->- рыбы -«- хищные птицы; фитопланктон ->- мелкие ракообраз­ные-«-рыбы, питающиеся мелкими рачками и ракообразны­ми -«- хищные рыбы ->- хищные птицы. В водных сообществах большая часть биомассы, накопленной одноклеточными водорос­лями, проходит через цепь выедания и значительно меньшая включается в цепь разложения (рис. 4).

Все типы пищевых цепей всегда существуют в сообществе та­ким образом, что член одной цепи является также членом дру­гой. Соединение цепей образует пищевую сеть экосистемы. Угне­тение или разрушение любого звена экосистемы с неизбежно­стью отразится на экосистеме в целом. Поэтому вмешиваться в жизнь экосистем надо с большой осторожностью и осмотри­тельностью.

Экологическая пирамида. Пищевые сети внутри каждой эко­системы имеют хорошо выраженную структуру. Она характери­зуется количеством и размером организмов на каждом уровне цепи питания. При переходе с одного пищевого уровня на другой численность особей уменьшается, а их размер увеличивается. Например, в приведенной выше четырехзвенной цепи на 1 га травяной экосистемы насчитывается около 9 млн. растений (первый пищевой уровень), свыше 700 тыс. растительноядных насе­комых (второй уровень), больше 350 тыс. хищных насекомых и пауков (третий уровень) и всего три птицы (четвертый уровень). Как мы видим, образуется пирамида чисел, основание которой в 3 млн. раз шире, чем вершина.

Только часть энергии, поступившей на определенный уровень биоценоза, передается организмам, находящимся на более высо­ком пищевом уровне. С уровня на уровень переходит около 10% энергии. Можно подсчитать, что энергия, которая доходит до пя­того уровня (например, до орла в цепи: растения — кузнечики —" — лягушки — змеи -«- орел), составляет всего 0,01% энергии, по­глощенной продуцентами. Таким образом, оказывается, что пе­редача энергии с одного пищевого уровня на другой происходит с очень малым КПД. Это объясняет уменьшение числа и массы Способность организмов переносить неблагоприятные усло­вия и высокий потенциал размножения обеспечивают сохранение популяций в экосистеме, что гарантирует ее устойчивость.

Саморегуляция. Поддержание определенной численности по­пуляций основано на взаимодействии организмов в звеньях хищ­ник — жертва, паразит — хозяин на всех уровнях пищевых це­пей. Если по каким-либо причинам один из членов пищевых це­пей исчезает, то виды, питавшиеся в основном исчезнувшим видом, начинают в большем количестве поедать ту пищу, кото­рая раньше была для них второстепенной. Вследствие подобной замены пищи численность видов-потребителей сохраняется.

Массовое размножение вида в биогеоценозе регулируется прямыми и обратными связями, существующими в пищевых це­пях. Нередко благодаря хорошим погодным условиям создается высокий урожай растений, которыми питается определенная по­пуляция травоядных животных. В связи с хорошим питанием численность популяции возрастает. Травоядные сами могут быть пищей для хищников. Чем многочисленнее жертвы, тем более обеспечен едой хищник и тем интенсивнее он размножается. Сле­довательно, чем больше в нынешнем году жертв, тем больше на следующий год будет хищников. Возрастание количества хищни­ков приводит к снижению численности жертв. Снижение числен­ности жертв ведет к тому, что размножение хищника замедляет­ся и количество хищника и жертвы возвращается к нормально­му — исходному соотношению.

Колебания количества растительной пищи, травоядных жи­вотных и хищников, питающихся этими животными, сопряжены друг с другом. Классический пример — циклы изменения чис­ленности леммингов в тундре. Раз в несколько лет на огромной территории тундры их численность резко возрастает, вслед за тем, часто за один сезон, столь же резко падает. В соответствии с этим численность песцов, лис и сов, питающихся леммингами, либо увеличивается, либо уменьшается.

Колебания численности леммингов связаны с их кормовой ба­зой. В годы повышения численности леммингов они сильно объ­едают растительность. Большое количество частей растений, со­держащих питательные элементы, поступает в детрит. На следу­ющий год из-за значительного повреждения растительного по­крова пищи становится меньше и питательная ценность ее уменьшается. В связи с этим рост и выживание молодых лем­мингов снижается. Год становится малокормным для хищников, и они почти не размножаются.

В течение последующих лет растительные остатки, богатые питательными веществами, минерализуются; питательные эле­менты поглощаются растениями; количество пищилеммингов и ее питательная ценность возрастают; численность леммингов вновь стремительно идет вверх; хищники, хорошо кормясь, начи­нают быстро размножаться. Таким образом, в биогеоценозе популяции организмов взаимно ограничивают свою численность, благодаря чему данная экосистема существует длительное время.

Каково значение саморегуляции численности, мы понимаем особенно хорошо, сталкиваясь с явлениями, когда саморегуля­ция нарушается. Это обычно происходит в тех случаях, когда че­ловек нарушает сложившуюся структуру сообществ. Примером может служить история с кроликами в Австралии.

Когда человек из Европы стал переселятся на другие конти­ненты, он повез с собой и домашних животных, в том числе кро­ликов. В 1859 г. на одной из ферм Австралии выпустили 12 пар привезенных зверьков. В биогеоценозах Австралии было слиш­ком мало хищников, чьей пищей могли бы быть кролики. Через 40 лет численность кроликов достигла нескольких сот миллионов особей. Они расселились почти по всему континенту, разоряя лу­га и пастбища, выедая проростки местной сосны, и нанесли урон экономике страны.

Таким образом, численность особей в природных экосистемах саморегулируется. Нарушение естественных цепей питания под воздействием антропогенного фактора, неразумное вмешатель­ство в экосистемы может привести к неконтролируемому росту численности особей отдельных популяций и к нарушению при­родных экологических сообществ.