Принципы экологической классификации организмов. Трофические уровни. Пищевые цепи, пищевые сети.

    Экологическая классификация организмов отличается от биологической систематики животных и растений. Биологи знают, что определение любого вида растений похоже на увлекательное путешествие от общих признаков к частным. Границы поиска все время сужаются, и его целью являются специфические видовые признаки. Экологическая классификация, наоборот, по одному только определенному признаку, например, суточная активность, температура или соленость воды, освещенность, тип питания, способ добывания пищи, место обитания и т.п., может объединить в одну группу животных и растения, животных самых разных видов и размеров, т.е. совместить несовместимое. Например, что общего может быть между бражником и совой, тлей и коровой? Или между китом и моллюском-беззубкой? Что связывает маленькое растение росянку и свирепого тигра? Оказывается, сова и бражник – ночные животные, тля и корова – пасущиеся, кит и моллюски одинаково процеживают огромное количество воды, чтобы насытиться планктоном, а росянка и тигр – хищники. Но самым значимым классифицирующим признаком в экологии является деление по типу питания. 

В биологии говорится об автотрофах и хемотрофах [2]   и гетеротрофах[3]. Но это деление не показывает их роли в экосистеме, тогда как существующая экологическая классификация по отношению к цепи питания позволяет определить место и значение любого организма каждой группы. Главное, фундаментальное, в буквальном смысле этого слова, место в пищевых цепях принадлежит продуцентам.

Продуценты – это те же автотрофы и хемотрофы, но в экологической классификации. Этим названием подчеркивается их функция производителей. Продуценты – самое первое звено среди организмов, участвующее в передаче энергии от Солнца к биосфере. К ним относятся все фотосинтезирующие организмы, это в основном, высшие и низшие растения, одноклеточные водоросли и хемосинтезирующие бактерии.

Консументы – в переводе «потребители», следующее звено после продуцентов. Преобразованную солнечную энергию в виде энергии химических связей в созданных продуцентами органических соединениях они потребляют в готовом виде и «передают» следующим консументам, отдавая свои тела на съедение.

Редуценты, синоним – деструкторы, они-то и превращают сложнейшие органические молекулы в простые вещества. К ним относятся, главным образом, бактерии и грибы.

Приведенная классификация полностью отражает процесс круговорота биогенных веществ в биосфере. Растения (продуценты) из косного вещества и солнечного света производят органические вещества, строят из них свои тела, наращивают биомассу, частично эта биомасса идет в пищу травоядным животным, которые в свою очередь, служат пищей хищникам. Умершие своей смертью травоядные, маленькие и большие хищники, отмершие растения по закону жизни должны вернуть биогенные вещества в почву. Природа делает это с помощью огромной армии редуцентов, в результате их питания и размножения происходит возврат в почву углерода, водорода, серы, калия, кальция и др. На процессы окисления расходуется кислород из органических молекул и воздуха. Восполнение кислорода до сбалансированной концентрации происходит за счет фотосинтеза.

Получается, что уже из названий групп организмов, участвующих в круговоротах, можно выстроить некоторую последовательность передачи энергии, поступившей от Солнца и использования произведенного органического вещества. Такая последовательность называется пищевой цепью. Это, конечно, до предела упрощенная модель отношений «организм» ↔ «организм», но она позволяет определить место каждого в пищевой цепи, называемое трофическим уровнем. Так, продуценты находятся на первом трофическом уровне, консументы первого порядка (травоядные насекомые и позвоночные) - на втором, консументы второго порядка (птицы) – на третьем, консументы третьего порядка (хищники) – на четвертом, редуценты – на пятом трофическом уровне. Понятно, что эти места не закреплены пожизненно, все зависит от каждой конкретной пищевой цепи. Если растение гниет на корню, то пищевая цепь состоит из двух трофических уровней, если траву съедает корова, корову – волк, который умирает своей смертью, то из четырех, и т.д. Модель пищевой цепи, с учетом действия на каждого её участника абиотических факторов, изображена на рис. 3.

 

Рис.3

В реальной жизни все сложнее, есть очень много организмов, которые с одинаковым удовольствием могут быть на разных пищевых уровнях, т.е. попросту всеядны, и ни у какой жертвы «на лбу не написано», что она предназначена только для определенного хищника. То есть, накладывая на наши придуманные пищевые связи некоторое количество других возможных, мы получим более реальную картину пищевых взаимоотношений, называемых пищевой сетью (рис. 4).

Трофические связи, как основа популяционных взаимоотношений. Популяции. Экологические пирамиды. Правило 10%. Поток энергии. Биомасса и количество видов

В наших предыдущих рассуждениях было одно допущение, которого не может быть в реальной жизни. Рассматривая экологические взаимосвязи на организменном уровне, мы допускали, что организм (цветок) может быть отдельно одиночно живущим, как и другие участники пищевой цепи. В действительности этого не встречается нигде и никогда. В природе нет одиночно существующих особей. Есть некий миф об одиноко бродящем снежном человеке, но эта не наша тема.

Общепризнано и очевидно, что живое вещество планеты неоднородно, основными взаимодействующими группами внутри живого вещества являются популяции. В этой подглаве мы рассмотрим взаимосвязи в экосистеме на популяционном уровне.

«Популяция - это группа организмов одного вида, обитающая на определенной территории в течение длительного времени» (Словарь Реймерса). Конечно, это упрощенное определение, но для дальнейших рассуждений вполне годится, если только мы как бы поставим задачу: изучить любую группу особей одного вида, т.е. популяцию. Изучить, это значит ответить на вопросы - сколько всего особей, сколько они все весят, какой их возрастной состав, как связаны с другими популяциями? Ответами на все эти вопросы сразу могут быть пирамиды Элтона. Кратко раскрою эту тему с помощью Н.Ф. Реймерса, приведя отрывок из его книги «Начала экологических знаний».

Если общую цепь питания изобразить в виде строительных блоков количественного соотношения усваиваемой на каждом этапе энергии и сложить друг на друга, получится пирамида. Её называют экологической пирамидой. Выраженное в единицах массы (веса) или энергии количество живого вещества организмов, обычно соотносимое с какой-то площадью или объемом, называют биомассой.

В любой трофической цепи не вся пища используется на рост особи, т.е. на накопление ее биомассы. Часть ее расходуется на удовлетворение энергетических затрат организма (дыхание, движение, размножение, поддержание температуры тела).

При этом биомасса одного звена не может быть полностью переработана последующим, и в каждом последующем звене трофической цепи происходит уменьшение биомассы.

В среднем считается, что лишь порядка 10% биомассы и связанной в ней энергии переходит с каждого трофического уровня на следующий, т.е. продукция организмов каждого последующего трофического уровня всегда меньше в среднем в 10 раз продукции предыдущего уровня.

Так, например, в среднем из 1000 кг растений образуется 100 кг биомассы растительноядных животных (консументов первого порядка). Плотоядные животные (консументы второго порядка), поедающие растительноядных, могут синтезировать из этого количества 10 кг своей биомассы, а хищники (консументы третьего порядка), которые питаются плотоядными животными, синтезируют только 1 кг своей биомассы.

Таким образом, суммарная биомасса, заключенная в ней энергия, а также численность особей прогрессивно уменьшаются по мере восхождения по трофическим уровням. Эта закономерность получила название правила экологической пирамиды.

Данное явление впервые было изучено Ч.Элтоном (1927 г.) и названо им пирамидой чисел или пирамидой Элтона.

Экологическая пирамида - это графическое изображение соотношения между продуцентами и консументами разных порядков, выраженное в единицах биомассы (пирамида биомасс), числа особей (пирамида численности) или заключенной в массе живого вещества энергии (пирамида энергии) ( рис.6).

Рис.6. Схема экологической пирамиды.

Экологическая пирамида выражает трофическую структуру экосистем в геометрической форме.