Цепи питания в водоеме как устойчивая экосистема. Трофические цепи и трофические сети в водоемах Виды пищевых цепочек

Трофическая структура. Виды, входящие в состав экосистемы, связаны между собой пищевыми связями, так как служат объектами питания друг для друга

В водоеме продуцентами являются зеленые водоросли. Их поедают мелкие растительноядные ракообразные (дафнии, циклопы) - консументы (потребители) первого порядка . Этих животных потребляют в пищу плотоядные личинки различных водяных насекомых (например, стрекоз)- это консументы (потребители) второго порядка . Личинками питаются мелкие рыбы (например, плотва) - консументы (потребители) третьего порядка . А рыбы становятся добычей щуки - консумента (потребителя) четвертого порядка . Такую последовательность питающихся друг другом организмов называют пищевой, или трофической, цепью. Отдельные звенья трофической цепи называют трофическими уровнями.
Различают два типа трофических (пищевых) цепей. Пищевые цепи, которые начинаются с растений, идут через растительноядных животных к другим потребителям, называют пастбищными или цепями выедания . Пищевые цепи другого типа начинаются с отмерших растений, трупов или помета животных и идут к мелким животным и микроорганизмам. Эти цепи называют детритными , или цепями разложения .

Линейные пищевые цепи - большая редкость в природе. Как правило, пищевые цепи в экосистеме тесно переплетаются. Совокупность пищевых связей в экосистеме образует пищевые сети , в которых многие консументы служат пищей нескольким членам экосистемы.

Несмотря на внешнюю простоту пресноводного водоема, его трофическая структура (система пищевых отношений) достаточно сложна. Высшими растениями питаются личинки насекомых, амфибий, скоблящие брюхоногие моллюски, растительноядные рыбы. Многочисленные простейшие (жгутиковые, инфузории, голые и раковинные амебы), низшие ракообразные (дафнии, циклопы), фильтрующие двустворчатые моллюски, личинки насекомых (поденок, стрекоз, ручейников) поедают одноклеточные и многоклеточные водоросли.

Рачки, черви, личинки насекомых служат пищей рыбам и амфибиям (лягушкам, тритонам). Хищные рыбы (окунь) охотятся за растительноядными (карась), а крупные хищники (щука) - за более мелкими. Находят себе пищу и млекопитающие (выхухоль, бобры, выдры): они поедают рыбу, моллюсков, насекомых и их личинки.

Органические остатки оседают на дно, на них развиваются бактерии, потребляемые простейшими и фильтрующими моллюсками. Бактерии, жгутиковые и водные виды грибов разлагают органику на неорганические соединения, вновь используемые растениями и водорослями.

Причиной слабого развития жизни в некоторых водоемах является низкий уровень содержания минеральных веществ (соединений фосфора, азота и пр.) или неблагоприятная кислотность воды. Внесение минеральных удобрений и нормализация кислотности известкованием способствует развитию пресноводного планктона - комплекса мелких взвешенных в воде организмов (микроскопических водорослей, бактерий и их потребителей: инфузорий, рачков и пр.). Планктон, являясь основанием пищевой пирамиды, питает различных животных, потребляемых рыбами. В результате восстановительных мер продуктивность рыбных хозяйств значительно возрастает.

На развертывании в пространстве пищевых цепей водоема разработана технология переработки отходов животноводства. Навоз смывается в отстойники, где служит питанием многочисленным одноклеточным водорослям, вода "цветет". Водоросли вместе с водой небольшими дозами перемещают в другой водоем, где их поедают дафнии и другие рачки-фильтраторы. В третьем пруду на рачках выращивают рыбу. Чистая вода вновь используется на фермах, избыток рачков идет на белковый корм скоту, а рыба потребляется человеком.

44. Понятие о стабильности, устойчивости и выносливости водных экосистем
Проблема стабильности и устойчивости экосистем и входящих в их состав сообществ организмов - одна из важнейших в современной экологии. Она активно обсуждается, и к настоящему времени в литературе накопилось достаточно большое количество различных, часто противоречивых представлений о стабильности и устойчивости экосистем. Например, считается, что существовать в течение длительного времени могут лишь устойчивые экосистемы и пределы их устойчивости определяются максимальными нагрузками, которые они могут выдержать, не нарушаясь. Одни авторы стабильность и устойчивость рассматривают как синонимы (Одум, 1986, Недорезов, Сидько, 1995), другие с их помощью описывают разные состояния экосистем. Рассмотрим некоторые наиболее часто встречающиеся представления об этих важнейших свойствах биологических систем и экосистем.

Основные пункты:

1. Стабильность экосистем возникает в результате внутренних взаимодействий, она требует внутривидовых взаимоотношений, в то время как межвидовые взаимодействия приводят к дестабилизационным влияниям и являются мерой изменчивости системы.

2. Более сложно организованные системы - более стабильны. Сложность структуры сообществ организмов, оцениваемую их разнообразием: чем разнообразнее система, тем она стабильнее. Такие системы контролируются биотическими факторами. Под влиянием антропогенных факторов и эвтофировании водоемов разнообразие и стабильность систем уменьшаются.

3. Стабильность экосистем может быть кратковременной (сукцессионной) и долговременной (эволюционной).

4. Стабильность рассматривается, как способность системы сохранять относительно неизменное состояние под влиянием некатострофических явлений и противостоять изменениям (абиотических и биотических воздействий окружающей среды), сохраняя динамическое равновесие (гомеостаз).

5. Структура систем, не подверженных антропогенным воздействиям, меняется во времени в зависимости от изменений внешних и внутренних факторов. Это эволюционные процессы. Так в процессе эволюции озер происходят постепенные изменения структуры и функционирования их экосистем.

6. Каждая экосистема и входящие в нее сообщества организмов адаптированы к сезонным, годовым изменениям факторов внешней среды. Это выражается в флюктуациях значений их структурных и функциональных характеристик таких, например, как видовой состав, разнообразие, биомасса, численность, продукция, траты на обмен относительно некоторых средних значений за эти периоды времени. Поэтому обычно сообщества бентосных или планктонных организмов в разных по типу и географическому положению водоемах или водотоках характеризуются средними за год или вегетационный сезон величинами биомасс или численности. Сохранение такого среднего уровня, видового состава и разнообразия отражает стабильность экосистемы во времени.

7. Устойчивость сообществ и экосистем находится в прямой зависимости от прозрачности воды в водоемах. Это имеет принципиальное значение, так как первичная продукция планктона находится в обратной зависимости от прозрачности воды. Таким образом, при увеличении продуктивности или степени эвтрофирования водоемов или водотоков уменьшается устойчивость экосистем и их составляющих.

Устойчивость сообществ гидробионтов и экосистем меняется так же при изменении степени эксплуатации их. Так увеличение пресса рыб в озерах - питомниках приводило к снижению устойчивости планктонных и бентосных сообществ.

8. Приняв во внимание все сказанное, нет основания говорить о стабильных и нестабильных экосистемах. Экосистема находится в стабильном состоянии, пока на нее с постоянной силой воздействуют конкретные факторы среды. Она характеризуется конкретными структурными и функциональными характеристиками, устойчивостью.

В сообществах гидробионтов в течение года или вегетационного сезона из-за сезонных циклов развития организмов может происходить смена видов доминантов, поэтому определять стабильность системы более надежно по средним за сезон или год значениям структурных и функциональных характеристик.

Энергия, содержащаяся в органическом веществе одних организмов, потребляется другими организмами. Перенос веществ и заключенной в них энергии от автотрофов к гетеротрофам, что происходит в результате поедания одними организмами других, называется пищевой цепью (цепью питания, трофической цепью).

Огромную роль в воспроизводстве жизни играет энергия Солнца. Количество этой энергии очень велико (примерно 55 ккал на 1 см2 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.

Организмы, стоящие на каждом трофическом уровне, приспособлены природой для потребления определенного вида пищи, в качестве которой выступают организмы предыдущего трофического уровня (или нескольких предыдущих уровней).

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.

Все элементы природы, 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.

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 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.

В экосистемах продуценты, консументы и редуценты объединены сложными процессами переноса веществ и энергии, которая заключена в пище, созданной преимущественно растениями.

Перенос потенциальной энергии пищи, созданной растениями, через ряд организмов путем поедания одних видов другими называется трофической (пищевой) цепью, а каждое ее звено называется трофическим уровнем.

Все организмы, пользующиеся одним типом пищи, принадлежат к одному трофическому уровню.

На рис.4. представлена схема трофической цепи.

Рис.4. Схема пищевой цепи.

Рис.4. Схема пищевой цепи.

Первый трофический уровень образуют продуценты (зеленые растения), которые аккумулируют солнечную энергию и создают органические вещества в процессе фотосинтеза.

При этом более половины энергии, запасенной в органических веществах, расходуется в процессах жизнедеятельности растений, превращаясь при этом в тепло и рассеиваясь в пространстве, а остальная часть поступает в пищевые цепи и может быть использована гетеротрофными организмами последующих трофических уровней при питании.

Второй трофический уровень образуют консументы 1-го порядка - это растительноядные организмы (фитофаги), которые питаются продуцентами.

Консументы первого порядка большую часть энергии, которая содержится в пище, расходуют на обеспечение своих жизненных процессов, а остальную часть энергии используют на построение собственного тела, преобразуя тем самым растительные ткани в животные.

Таким образом, консументы 1-го порядка осуществляют первый, принципиальный этап трансформации органического вещества, синтезированного продуцентами.

Первичные консументы могут служить источником питания для консументов 2-го порядка.

Третий трофический уровень образуют консументы 2-го порядка - это плотоядные организмы (зоофаги), которые питаются исключительно растительноядными организмами (фитофагами).

Консументы 2-го порядка осуществляют второй этап трансформации органического вещества в цепях питания.

Однако, химические вещества, из которых строятся ткани животных организмов, довольно однородны и поэтому трансформация органического вещества при переходе со второго трофического уровня консументов на третий не имеет столь принципиального характера, как при переходе с первого трофического уровня на второй, где происходит преобразование растительных тканей в животные.

Вторичные консументы могут служить источником питания для консументов 3-го порядка.

Четвертый трофический уровень образуют консументы 3-го порядка - это плотоядные животные, питающиеся только плотоядными организмами.

Последний уровень трофической цепи занимают редуценты (деструкторы и детритофаги).

Редуценты-деструкторы (бактерии, грибы, простейшие) в процессе своей жизнедеятельности разлагают органические остатки всех трофических уровней продуцентов и консументов до минеральных веществ, которые вновь возвращаются к продуцентам.

Все звенья трофической цепи взаимосвязаны и взаимозависимы.

Между ними от первого к последнему звену осуществляется передача веществ и энергии. Однако, необходимо отметить, что при передаче энергии с одного трофического уровня на другой происходит ее потеря. В результате цепь питания не может быть длинной и чаще всего состоит из 4-6 звеньев.

Однако, такие пищевые цепи в чистом виде в природе обычно не встречаются, поскольку каждый организм имеет несколько источников питания, т.е. пользуется несколькими типами пищи, и сам используется как продукт питания другими многочисленными организмами из одной и той же трофической цепи или даже из разных цепей питания.

Например:

всеядные организмы потребляют в пищу как продуцентов, так и консументов, т.е. являются одновременно консументами первого, второго, а иногда и третьего порядка;

комар, питающийся кровью человека и хищных животных, находится на очень высоком трофическом уровне. Но комарами питается болотное растение росянка, которая, таким образом, является и продуцентом и консументом высокого порядка.

Поэтому, практически любой организм, входящий в состав одной трофической цепи, одновременно может входить и в состав других трофических цепей.

Таким образом, трофические цепи могут многократно разветвляться и переплетаться, образуя сложные сети питания или трофические (пищевые) сети , в которых многочисленность и разнообразие пищевых связей выступает как важный механизм поддержания целостности и функциональной устойчивости экосистем.

На рис.5. показана упрощенная схема сети питания для наземной экосистемы.

Вмешательство человека в природные сообщества организмов путем намеренного или ненамеренного устранения какого-либо вида часто имеет непредсказуемые негативные последствия и приводит к нарушению устойчивости экосистем.

Рис.5. Схема трофической сети.

Существует два основных типа трофических цепей:

пастбищные цепи (цепи выедания или или цепи потребления);

детритные цепи (цепи разложения).

Пастбищные цепи (цепи выедания или цепи потребления) - это процессы синтеза и трансформации органических веществ в трофических цепях.

Пастбищные цепи начинаются с продуцентов. Живые растения поедаются фитофагами (консументами первого порядка), а сами фитофаги являются пищей для плотоядных животных (консументов второго порядка), которыми могут питаться консументы третьего порядка и т.д.

Примеры пастбищных цепей для наземных экосистем:

3 звена: осина → заяц → лиса; растение → овца → человек.

4 звена: растения → кузнечики → ящерицы → ястреб ;

нектар цветка растения → муха → насекомоядная птица →

хищная птица .

5 звеньев: растения → кузнечики → лягушки → змеи → орел.

Примеры пастбищных цепей для водных экосистем:→

3 звена: фитопланктон → зоопланктон → рыбы;

5 звеньев: фитопланктон → зоопланктон → рыбы → хищные рыбы →

хищные птицы.

Детритные цепи (цепи разложения) - это процессы поэтапной деструкции и минерализации органических веществ в трофических цепях.

Детритные цепи начинаются с поэтапного разрушения мертвого органического вещества детритофагами, которые последовательно сменяют друг друга в соответствии со специфичным типом питания.

На последних стадиях деструкционных процессов функционируют редуценты-деструкторы, минерализующие остатки органических соединений до простых неорганических веществ, которые вновь используются продуцентами.

Например, при разложении мертвой древесины последовательно сменяют друг друга: жуки → дятлы → муравьи и термиты → грибы-деструкторы.

Детритные цепи наиболее распространены в лесах, где большая часть (около 90%) ежегодного прироста биомассы растений не потребляется непосредственно растительноядными животными, а отмирает и попадает в эти цепи в виде листового опада, подвергаясь затем разложению и минерализации.

В водных экосистемах большая часть вещества и энергии включается в пастбищные цепи, а в наземных экосистемах наибольшее значение имеют детритные цепи.

Таким образом, на уровне консументов происходит разделение потока органического вещества по разным группам потребителей:

живое органическое вещество следует по пастбищным цепям;

мертвое органическое вещество идет по детритным цепям.

Питание играет важную роль в любой экосистеме. Еда является источником энергии для продолжения жизненных процессов организмов. Соответственно, в каждой экологической системе образовываются Если дать им определение, то получим следующее: трофическая или пищевая цепь - это взаимоотношения между животными, растениями, микроорганизмами по принципу «пища - потребитель».

Структура очень простая. Представители последующего звена поедают организмы предыдущего звена. Как правило, количество звеньев достигает 3-4 и только очень редко - 5. Цепи питания в водоеме, особенно в пресном, полностью попадают под трофические и могут быть двух видов.

Виды пищевых цепочек

Пастбищные цепи питания в водоеме характерны для верхних слоев, а детритные - для придонных. Но четко разделять их невозможно - они, как и все в природе, взаимосвязаны. Но какие бы цепи ни присутствовали в экосистеме, для них есть общее правило. Каждый (звено) большую часть энергии, которая поглощается с пищей, затрачивает на поддержание нормальной жизнедеятельности.

Цепи питания в водоеме. Примеры

В любом водоеме несложно привести пример самой простой пищевой цепочки. Рассмотрим Байкал. В связи с многообразием флоры и фауны цепи питания в водоеме представлены несколькими видами. Поскольку они взаимосвязаны, то некоторые составляющие одной могут быть заменены элементами из другой. Байкала разделены на две - эпипелегиаль и батипелигиаль. Первая преобладает на прибрежном уровне и на участках смешивания водных слоев, вторая присуща придонной зоне.

Продуцентами (первичным звеном) выступают различные виды водорослей. выступает эпишура. Этот вид планктонных ракообразных выступает основным потребителем фитопланктона и водорослей и является зоопланктоном. Эпишура служит пищей для следующего звена - консументов второго порядка. В эту группу входят макрогектопус (зоопланктон) и омуль на всех стадиях развития. Но если рыбы потребляют только первичных консументов, то макрогетопус потребляет еще и продуценты. В свою очередь, эти ракообразные служат едой для омуля, бычков, голомянок и других рыб. Завершающим звеном является нерпа, которая потребляет представителей предыдущего уровня.

Детритные цепи питания

Любое озеро, пруд или море имеют различную глубину на различных участках занимаемой площади. Детритные цепи питания в водоеме преобладают в той толще воды, в которую не проникает солнечный свет. В качестве продуцента выступают органические остатки растительного и животного происхождения. Консументами первого порядка становятся ракообразные и а также бактерии. Эти же детритофаги нередко становятся пищей для консументов первого и второго порядка трофической цепи питания.

Изменчивость в экосистемах

Практически невозможно найти водоем, соленый или пресноводный, в котором каждое звено пищевой цепи было бы представлено только одним видом животных или растений. Такая экосистема обречена на вымирание, поскольку отсутствие одного элемента ведет к прерыванию цепи питания в водоеме. В случае если каждое звено заполнено несколькими видами животных или растений, то такая система устойчива, поскольку отсутствие того или иного компонента замещается или дополняется другим. Ежегодные популяции каждый год насчитывают различное количество особей. И только благодаря разнообразию видов не происходит прерывание пищевой цепи и разрушение экосистемы.

Органические молекулы , синтезированные автотрофами, служат источником питания (вещества и энергии) для гетеротрофных животных. Этих животных в свою очередь поедают другие животные и таким путем происходит перенос энергии через ряд организмов, где каждый последующий питается предыдущим. Такая последовательность называется пищевой цепью, а каждое звено цепи соответствует определенному трофическому уровню (от греч. troph - еда). Первый трофический уровень всегда составляют автотрофы, называемые продуцентами (от лат. producere - производить). Второй уровень - это растительноядные (фитофаги), которых называют консументами (от лат. consumo - «пожираю») первого порядка; третий уровень (допустим, хищники) - консументы второго порядка и т. д.

В экосистеме обычно бывает 4-5 трофических уровней и редко больше 6. Частично это обусловлено тем, что на каждом из уровней часть вещества и энергии теряется (неполное поедание пищи, дыхание консументов, «естественная» гибель организмов и т. п.); такие потери отражены на рисунке и подробнее обсуждаются в соответствующей статье. Однако, судя по результатам недавних исследований, длина пищевых цепей ограничивается и другими факторами. Возможно, существенную роль играют доступность предпочитаемой пищи и территориальное поведение, снижающее плотность расселения организмов, а, значит, и численность консументов высших порядков в конкретном местообитании. По существующим оценкам, в некоторых экосистемах до 80% первичной продукции не потребляется фитофагами. Мертвый же растительный материал становится добычей организмов, питающихся детритом (детритофа-гов) или редуцентов (деструкторов). В таком случае говорят о детритных пищевых цепях. Детрит-ные пищевые цепи преобладают, например, в дождевых тропических лесах.

Продуценты

Практически все продуценты - фотоавтотрофы, т. е. зеленые растения, водоросли и некоторые прокариоты, например цианобактерии (раньше их называли сине-зелеными водорослями). Роль хемоавтотрофов в масштабах биосферы пренебрежимо мала. Микроскопические водоросли и цианобактерии, составляющие фитопланктон, являются главными продуцентами водных экосистем. Напротив, на первом трофическом уровне наземных экосистем преобладают крупные растения, например деревья в лесах, травы в саваннах, степях, на полях и т. д.

Консументы первого порядка

На суше основные фитофаги - насекомые, рептилии, птицы и млекопитающие. В пресной и морской воде это обычно мелкие ракообразные (дафнии, морские желуди, личинки крабов и т. д.) и двустворчатые моллюски; большинство их - фильтраторы, отцеживающие продуцентов, как описано в соответствующей статье. Вместе с простейшими многие из них входят в состав зоопланктона - совокупности микроскопических дрейфующих гетеротрофов, которые питаются фитопланктоном. Жизнь океанов и озер почти полностью зависит от планктонных организмов, составляющих фактически начало всех пищевых цепей в этих экосистемах.

Консументы второго, третьего и последующих порядков

Консументы второго порядка едят фитофагов, т. е. являются плотоядными организмами. Консументы третьего порядка и консументы более высоких порядков также являются плотоядными. Этих консументов можно разделить на несколько экологических групп:

Вот два примера основанной на фотосинтезе пищевой цепи :

Растение (листья) -> Слизень -» Лягушка -» Уж -* -» Горностай

Растение (флоэмный сок) -» Тля -> Божья коровка -> -» Паук -^ Скворец -> Ястреб