Пищевые цепи организмов и особенности обмена веществ и энергии

В любом биогеоценозе происходит круговорот веществ и осуществляется однонаправленный поток энергии. Растения извлекают из атмосферы углекислый газ, из почвы – воду и минеральные соли, и, используя энергию солнечного света, образуют органическое вещество.

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 (консументы первого порядка) поедают растения (продуценты), первичные хищники (консументы второго порядка) поедают травоядных, вторичные хищники (консументы третьего порядка) поедают хищников помельче. Таким образом, создаются пищевые цепи из продуцентов и консументов, которые на разных этапах смыкаются с сообществом редуцентов. Кроме того, цепи питания могут перекрещиваться, образуя сети питания. Почти все виды животных, за исключением очень специализированных в пищевом отношении, используют не один какой-нибудь источник пищи, а несколько. Передача энергии с одного трофического уровня на другой происходит с потерей большей части энергии в виде тепла, запас энергии, накопленный зелеными растениями, стремительно иссякает, и вся энергия рассеивается в форме тепла. Поэтому пищевая цепь обычно включает всего 4-5 звеньев. Затем химические элементы, входящие в состав органических молекул, передаются особям биоценоза, связанным пищевыми взаимоотношениями. И вновь от звена к следующему звену часть органического вещества используется как источник энергии, а часть – как строительный материал. В каждом звене при дыхании углекислый газ возвращается в атмосферу, непереваренные остатки пищи и погибшие организмы разлагаются с помощью микроорганизмов, которые завершают круговорот химических элементов. Так осуществляется однонаправленный поток энергии. В дубраве, например, около 1% солнечной энергии преобразуется в химические связи образованного органического вещества. Солнечная энергия переходит в энергию химических связей образованного органического вещества растений, но при дыхании растений около 50% органического вещества окисляется, остальные 50% – прирост биомассы. Например, ежегодный прирост биомассы в дубраве составляет около 10 т/га, около 6 т – прирост надземных органов, 4 т приходится на прирост подземных органов.

Экологическая пирамида биомассы

Когда растительность поедается консументами, большая часть съеденного органического вещества растений окисляется и служит источником энергии, меньшая часть является строительным материалом и идет на прирост или восстановление биомассы. От 5 до 20% съеденной биомассы запасается в образованном органическом веществе консументов 1-го порядка. На прирост биомассы консументов 2-го порядка пойдет также около 5-20% от съеденной пищи.

Правило экологической пирамиды биомассы – биомасса каждого последующего уровня в пищевой цепи прогрессивно уменьшается. Но в морских экосистемах биомасса каждого последующего уровня увеличивается, наблюдается перевернутая пирамида биомассы. Это связано с тем, что основным продуцентом является фитопланктон. Водоросли, преобладающие в нем, живут недолго, большая часть их выедается, но они очень быстро размножаются. Организмы каждого последующего уровня живут дольше и накапливают большую биомассу.

Различают пирамиду чисел, когда сравнивается число особей на каждом пищевом уровне, пирамиду биомассы – если сравнивается биомасса каждого уровня, пирамиду энергии – при сравнении количества энергии, заключенной в пище каждого уровня. Наглядно использование энергии консументами можно выразить формулой:

ПИЩА = ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН + ПРИРОСТ БИОМАССЫ + ЭКСКРЕМЕНТЫ.

Биологическая продуктивность экосистемы – производительность экосистемы, измеряемая за единицу времени на единицу площади.