Пирамиды экологии

1

Живые организмы  в экосистеме выполняют различные  функции, которые зависят от типов  питания. В ходе эволюции на Земле  возникло два основных типа питания - автотрофное и гетеротрофное.

 Автотрофы - это  продуценты (производители) органического  вещества из неорганического. Растения и некоторые бактерии способны преобразовывать солнечную энергию в процессе фотосинтеза и создавать (синтезировать) органические вещества, которые гетеротрофы используют в качестве пищи. При этом продуценты потребляют из атмосферы углекислый газ, образованный в процессе жизнедеятельности гетеротрофов, и выделяют кислород.

 Гетеротрофы,  в свою очередь, выполняют в  экосистеме роль консументов и редуцентов.

Консументы - потребители органического вещества. Травоядные животные употребляют растительную пищу, а плотоядные - животную. В результате процесса пищеварения, протекающего в организмах консументов, происходит первичное измельчение и разложение органического вещества. Это облегчает дальнейшую деятельность редуцентов.

Редуценты - это организмы, окончательно разлагающие органические вещества, содержащиеся в отходах и трупах консументов и продуцентов. К редуцентам относят бактерии и грибы. В процессе жизнедеятельности этих организмов восстанавливаются минеральные вещества, которые вновь используют продуценты.

 Таким образом,  в экосистеме выделяют три функциональные группы организмов: продуценты, консументы, редуценты. Каждая функциональная группа в экосистеме представлена не одним, а несколькими видами. Это гарантирует экосистеме длительное, стабильное существование.  

Цикл азота состоит  в следующем. Его главная роль заключается в том, что он входит в состав жизненно важных структур организма - аминокислот белка, а  также нуклеиновых кислот. В живых  организмах содержится примерно 3% всего  активного фонда азота. Растения потребляют примерно 1% азота; время  его круговорота составляет 100 лет.

От растений-продуцентов  азотосодержащие соединения переходят  к консументам, от которых после отщепления аминов от органических соединений азот выделяется в виде аммиака или мочевины, а мочевина затем также превращается в аммиак (вследствие гидролиза).

В дальнейшем в процессах  окисления азота аммиака (нитрификации) образуются нитраты, способные ассимилироваться корнями растений. Часть нитритов и нитратов в процессе денитрификации восстанавливается до молекулярного  азота, поступающего в атмосферу. Все  эти химические превращения возможны в результате жизнедеятельности  почвенных микроорганизмов. Эти  удивительные бактерии - фиксаторы  азота - способны использовать энергию  своего дыхания для прямого усвоения атмосферного азота и синтезирования протеидов. Таким путем в почву ежегодно вносится около 25 кг азота на 1 га.

Но самые эффективные  бактерии живут в симбиозе с бобовыми растениями в клубеньках, развивающихся  на корнях растений. В присутствии  молибдена, который служит катализатором, и особой формы гемоглобина (уникальный случай у растений) эти бактерии (Rhizobium) ассимилируют громадные количества азота. Образующийся (связанный) азот постоянно диффундирует в ризосфере (часть почвы), когда клубеньки распадаются. Но еще азот поступает в наземную часть растений. Благодаря этому бобовые исключительно богаты протеинами и очень питательны для травоядных. Годовой запас, таким образом накапливаемый в культурах клевера и люцерны, составляет 150-140 кг/га.

Итак, азот из разнообразных  источников поступает к корням в  виде нитратов, абсорбируется корнями  и трансформируется в листья для  синтеза протеинов. Протеины служат основой азотного питания животных, а также пищей некоторых бактерий (паразитов). Организмы, разлагающие  органическое вещество после смерти, переводят азот из органических соединений в минеральные.Каждая группа биоредуцентов специализируется на каком-либо одном звене этого процесса. Цепь заканчивается деятельностью аминообразующих организмов, образующих аммиак (NН3), который далее входит в цикл нитрификации. 

Круговорот веществ  и поток энергии в экосистемах  

Питание — основной способ движения веществ и энергии.  

 Организмы в  экосистеме связаны общностью  энергии и питательных веществ,  которые необходимы для поддержания  жизни. Главным источником энергии  для подавляющего большинства  живых организмов на Земле  является Солнце. Фотосинтезирующие  организмы (зеленые растения, цианобактерии, некоторые бактерии) непосредственно используют энергию солнечного света. При этом из углекислого газа и воды образуются сложные органические вещества, в которых часть солнечной энергии накапливается в форме химической энергии. Органические вещества служат источником энергии не только для самого растения, но и для других организмов экосистемы. Высвобождение заключенной в пище энергии происходит в процессе дыхания. Продукты дыхания — углекислый газ, вода и неорганические вещества — могут вновь использоваться зелеными растениями. В итоге вещества в данной экосистеме совершают бесконечный круговорот. При этом энергия, заключенная в пище, не совершает круговорот, а постепенно превращается в тепловую энергию и уходит из экосистемы. Поэтому необходимым условием существования экосистемы является постоянный приток энергии извне (рис. 14.5).  

Рис. 14.5. Сулммарный поток энергии (темные стрелки) и круговорот веществ (светлые стрелки) в экосистеме.  

 Таким образом,  основу экосистемы составляют  автотрофные организмы —продуценты (производители, созидатели), которые в процессе фотосинтеза создают богатую энергией пищу — первичное органическое вещество. В наземных экосистемах наиболее важная роль принадлежит высшим растениям, которые, образуя органические вещества, дают начало всем трофическим связям в экосистеме, служат субстратом для многих животных, грибов и микроорганизмов, активно влияют на микроклимат биотопа. В водных экосистемах главными производителями первичного органического вещества являются водоросли.  

 Готовые органические  вещества используют для получения  и накопление энергии гетеротрофы,  или консументы (потребители). К гетеротрофам относятся растительноядные животные (консументы I Порядка), плотоядные, живущие за счет растительноядных форм (консументы II порядка), потребляющие других плотоядных (консументы Ш порядка) и т. д.  

 Особую группу консументов составляют редуценты (разрушители, или] деструкторы), разлагающие органические остатки продуцентов и консументов до простых неорганических соединений, которые зат-ем используются продуцентами. К редуцентам относятся главным образом микрорганизмы — бактерии и грибы. В наземных экосистемах особенно важное значение имеют почвенные редуценты, вовлекающие в общий круговорот органические вещества отмерших растений (они потребляют до 90% первичной продукции леса). Таким образом, каждый живой организм в составе экосистемы занимает определенную экологическую нишу (место) в сложной системе экологических взаимоотношений с другими организмами и абиотическими условиями среды.  

Пищевые цепи (сети) и трофические уровни. Основой  любой экосистемы, ее фундаментом  являются пищевые (трофические) и сопутствующие  им энергетические связи. В них постоянно  происходит перенос Вещества и энергии, которые заключены в пище, созданной  преимущественно растениями.  

 Перенос потенциальной  энергии пищи, созданной растениями, через ряд организмов путем  поедания одних видов другими  называется цепью питания или  пищевой цепью, а каждое ее  звено —трофическим уровнем (рис. 14.6).  

Рис. 14.6. Цепи питания  африканской саванне.  

 Первый трофический  уровень образуют продуценты (растения), второй — первичные консументы (растительноядные животные), третий — вторичные консументы (плотоядные животные и паразиты). Поскольку каждый организм имеет несколько источников питания и сам является объектом питания для других организмов из одной и той же пищевой цепи или даже из разных (всеядные организмы, например человек, медведь, воробей, потребляют как продуцентов, так и консументов, т. е. живут на разных трофических уровнях), цепи питания многократно разветвляются и переплетаются в сложные пищевые сети (рис. 14.7).  

Рис. 14.7. Сети питания  в экологической системе.  

 Существуют два  основных типа пищевых цепей  — пастбищные (цепи выедания, или цепи потребления) и детритные (цепи разложения). Пастбищные цепи начинаются с продуцентов: клевер —>кролик —> волк; фитопланктон (водоросли) —> зоопланктон (простейшие) —>плотва —> щука —> скопа.  

Детритные цепи начинаются от растительных и животных остатков, экскрементов животных — детрита; идут к микроорганизмам, которые ими питаются, а затем к мелким животным (детритофагам) и к их потребителям — хищникам. Детритные цепи наиболее распространены в лесах, где большая часть (более 90%) ежегодного прироста биомассы растений не потребляется непосредственно растительноядными животными, а отмирает, подвергаясь разложению (сапротрофными организмами) и минерализации. Типичным примером детритной пищевой связи наших лесов является следующий: листовая подстилка —> дождевой червь —> черный дрозд—> ястреб-перепелятник. Кроме дождевых червей, детритофагами являются мокрицы, клеши, ногохвостки, нематоды и др.  

Экологические пирамиды. Пищевые сети внутри каждого биогеоценоза имеют хорошо выраженную структуру. Она характеризуется количеством, размером и общей массой организмов — биомассой — на каждом уровне цепи питания. Для пастбищных пищевых  цепей характерно увеличение плотности  популяций, скорости размножения и  продуктивности их биомасс. Снижение биомассы при переходе с одного пищевого уровня на другой обусловлено тем, что далеко не вся пища ассимилируется консументами. Так, например, у гусеницы, питающейся листьями, в кишечнике всасывается только половина растительного материала, остальное выделяется в виде экскрементов. Кроме того, большая часть питательных веществ, всасываемых кишечником, расходуется на дыхание и лишь 10—15% в конечном счете используется на построение новых клеток и тканей гусеницы. По этой причине продукция организмов каждого последующего трофического уровня всегда меньше (в среднем в 10 раз) продукции предыдущего, т. е. масса каждого последующего звена в цепи питания прогрессивно уменьшается. Эта закономерность получила название правило экологической пирамиды (рис. 14.8).  

Рис, 14.8. Упрощенная экологическая пирамида.  

 Различают три  способа составления экологических  пирамид:  

1. Пирамида численностей  отражает численное соотношение  особей разных трофических уровней  экосистемы. Если организмы в  пределах одного или разных  трофических уровней сильно различаются  между собой по размерам, то  пирамида численностей дает искаженные  представления об истинныхсоотношениях трофических уровней. Например, в сообществе планктона численность продуцентов в десятки и сотни раз больше численности консументов, а в лесу сотни тысяч консумен-тов могут питаться органами одного дерева — продуцента.  

2.   Пирамида  биомасс показывает количество  живого вещества, или биомассы, на  каждом трофическом уровне. В  большинстве наземных экосистем  биомасса продуцентов, т. е.  суммарная масса растений наибольшая, а биомасса организмов каждого  последующего трофического уровня  меньше предыдущего. Однако в  некоторых сообществах биомасса  консументов I порядка бывает больше биомассы продуцентов. Например, в океанах, где основными продуцентами являются одноклеточные водоросли с высокой скоростью размножения, их годовая продукция в десятки и даже сотни раз может превышать запас биомассы. Вместе с тем, вся образованная водорослями продукция так быстро вовлекается в цепи питания, что накопление биомассы водорослей мало, но вследствие высоких темпов размножения небольшой их запас оказывается достаточным для поддержания скорости воссоздания органического вещества. В связи с этим в океане пирамида биомасс имеет обратное соотношение, т. е. «перевернута». На высших трофических уровнях преобладает тенденция к накоплению биомассы, так как длительность жизни хищников велика, скорость оборота их генераций, наоборот, мала, и в их теле задерживается значительная часть вещества, поступающего по цепям питания.  

3.   Пирамида  энергии отражает величину потока  энергии в цепи питания. На  форму этой пирамиды не влияют  размеры особей, и она всегда  будет иметь треугольную форму  с широким основанием внизу,  как это диктуется вторым законом  термодинамики. Поэтому пирамида  энергии дает наиболее полное  и точное представление о функциональной  организации сообщества, о всех обменных процессах в экосистеме. Если пирамиды чисел и биомасс отражают статику экосистемы (количество и биомассу организмов в данный момент), то пирамида энергии —динамику прохождения массы пищи через цепи питания. Таким образом, основание в пирамидах чисел и биомасс может быть больше или меньше, чем последующие трофические уровни (в зависимости от соотношения продуцентов и консументов в различных экосистемах). Пирамида энергии всегда суживается кверху. Это обусловлено тем, что энергия, затраченная на дыхание, не передается на следующий трофический уровень и уходит из экосистемы. Поэтому каждый последующий уровень всегда будет меньше предыдущего. В наземных экосистемах уменьшение количества доступной энергии обычно сопровождается снижением численности и биомассы особей на каждом трофическом уровне. Вследствие таких больших потерь энергии на построение новых тканей и дыхание организмов цепи питания не могут быть длинными; обычно они состоят из 3—5 звеньев (трофических уровней).