Важность редуцентов
Из-за недостатка энергии невозможно существование высоких экологических пирамид с длинными цепями питания. Существует закономерность потока энергии в экосистеме. Далеко не все организмы одного уровня поедаются другими. Значительная часть их отмирает и поступает в так называемый опад.
Что происходит с мертвыми организмами, с энергией, заключенной в их молекулах? Они не теряются для экосистемы. Бактерии и грибы их используют в качестве источника пищи, а значит, и энергии (опавшие листья, отмершие стволы деревьев, трупы животных).
В сухопутных, особенно в лесных экосистемах, значительная часть первичной продукции уничтожается редуцентами. Об этом свидетельствует большое количество подстилки на лугах или в степях. Ведь что такое редуценты? Это своеобразные мусорщики. В устойчивой экосистеме процессы сбалансированы: суммарная продуктивность должна быть равна энергетическим тратам. Подобное равновесие требует полной утилизации годичной первичной продукции консументами. Это достаточно редкое явление, но благодаря компенсаторной деятельности биокомпонентов экосистема стремится к нему.
Круговорот химических элементов
Второй важнейшей функциональной особенностью экосистемы является поток вещества. Абиотическая среда содержит множество химических элементов, часть из них принимает участие в малом (биологическом) круговороте, который свойственен любой экосистеме. Это биогенные элементы, входящие в органические молекулы.
Из всей таблицы Менделеева, содержащей 108 элементов, биологическую значимость имеют 27. Именно они после гибели и воздействия на них редуцентов возвращаются в окружающую среду и вновь могут быть использованы. Этим круговорот вещества отличается от потока энергии в экосистеме. Энергия не может использоваться вторично. Теоретически можно представить замкнутый цикл круговорота вещества в идеальных условиях. Однако в природе такого не происходит. Часть атомов мигрирует вместе с перемещением воды, воздушных масс и живых организмов.
Скорость круговорота элементов бывает разной. Неодинаковы и химические превращения в живых организмах. Так, вода, попадая в растения, частично вовлекается в процесс транспирации и довольно быстро возвращается в атмосферу. Частично она участвует в процессе фотосинтеза, и водород включается в состав органических молекул, где задерживается гораздо дольше.
Кислород, входящий в состав воды, сразу поступает в атмосферу и используется животными в процессе дыхания. В то же время вода поступает непосредственно к животным из абиотической среды.
Иначе обстоит дело с углеродом. Он поступает в круговорот через растения. В реакциях фотосинтеза образуется кислород, который выделяется в атмосферу и используется при дыхании животными. Углерод связывается растениями в органических молекулах и таким образом сохраняется в фитомассе. Частично он потребляется животными и редуцентами. Таким образом углерод из окружающей среды проходит через все трофические уровни и вновь возвращается в атмосферу.
При рассмотрении данных примеров становится понятно, что такое редуценты и какие функции в природе они выполняют.
Составление схем передачи веществ и энергии (цепей питания)
Схемы цепей питания позволяют нам получить полную информацию о кормовой структуре биогеоценоза. В отличие от обычного бессвязного перечисления видов той или иной экосистемы, схемы передачи веществ и энергии дают возможность проследить взаимоотношения между видами разных популяций, построенных на принципе «пища-потребитель».
Поскольку вещество и энергия постоянно перемещаются, важно также знать направление этого потока. Типичная трофическая цепь записывается линейно
В зависимости от типа пищевой цепи, определяют организм, расположенный в начале. Если целью служит запись пастбищной пищевой цепи, то сначала записывают продуцента (любое растение, способное к фотосинтезу). За продуцентом следуют консументы всех возможных порядков. Между организмами, записанными в строку, рисуют стрелки. Направление стрелок позволяет понять, в какую сторону движется энергия и вещество. Например, трава → кузнечик → мышь → куница → орел. Трава, являясь продуцентом, служит пищей для кузнечиков (консументы первого порядка), которые, в свою очередь, становятся пищей для мышей (консументы второго порядка). Мышами питаются куницы (консументы третьего порядка), а куниц поедают орлы (консументы четвертого порядка). Стрелки показывают направление движения веществ и энергии от травы к орлам
Типичная трофическая цепь записывается линейно. В зависимости от типа пищевой цепи, определяют организм, расположенный в начале. Если целью служит запись пастбищной пищевой цепи, то сначала записывают продуцента (любое растение, способное к фотосинтезу). За продуцентом следуют консументы всех возможных порядков. Между организмами, записанными в строку, рисуют стрелки. Направление стрелок позволяет понять, в какую сторону движется энергия и вещество. Например, трава → кузнечик → мышь → куница → орел. Трава, являясь продуцентом, служит пищей для кузнечиков (консументы первого порядка), которые, в свою очередь, становятся пищей для мышей (консументы второго порядка). Мышами питаются куницы (консументы третьего порядка), а куниц поедают орлы (консументы четвертого порядка). Стрелки показывают направление движения веществ и энергии от травы к орлам.
В детритной пищевой цепи место продуцента занимает детрит — мертвое органическое вещество, которое потребляют консументы первого порядка. Например, мертвое животное → муха → лягушка → змея.
Как правило, при выполнении заданий, перечисляется только список видов, обитающих в экосистеме, а пищевые взаимоотношения между ними приходится определять самому. Сделать это просто. Сначала нужно проанализировать способ питания организмов. При наличии в списке продуцента, именно он выделяется в первую очередь. Обычно, продуцентами в пищевых цепях являются зеленые растения.
Далее выбирается гетеротрофный организм, питающийся растительной пищей, или фитофаг. Затем, хищное животное, поедающее фитофагов и т.д.
Если в предложенном списке организмов отсутствует продуцент, тогда выбирается детрит. В остальном система составления пищевых цепей одинакова.
Смотри также:
- Среды обитания организмов. Экологические факторы. Антропогенный фактор. Их значение
- Разнообразие экосистем (биогеоценозов)
- Саморазвитие и смена экосистем. Устойчивость и динамика экосистем
Что такое пищевая цепь
Это процесс, обеспечивающий перенос или обмен энергией и веществами, позволяющий последним циркулировать в биосфере. При этом энергетические потери составляют больше 80 % — они выделяются в виде тепла. Цепь имеет линейную структуру (вариант — экологическая пирамида), составляется из нескольких звеньев. Они в свою очередь могут состоять из одной или нескольких групп живых существ, служащих пищей для вышерасположенных ярусов.
Структуру построения экологической пирамиды, чью основу представляет собой вышеописанная теория, графически представил в 1920-х гг. британский зоолог Ч. Элтон: на ней продемонстрированы также в зависимости от типа разность в биомассе, популяции и передаваемой энергии различных уровней пирамиды.
Правило пирамиды гласит: чем выше ярус, тем меньше биомасса и популяция относящихся к нему организмов.
Субъекты трофической цепи разделяются на три вида в зависимости от играемой в ней роли: продуценты, консументы и редуценты. Все они объединены в природе множеством трофических связей. Более сложные схемы пищевых взаимоотношений на разных уровнях складываются в своеобразные трофические сети.
Продуценты
На нижней ступени стоят продуценты, или автотрофы, — организмы, производящие употребляемые ими в пищу органические вещества, синтезируя их из простых молекул. Они производят самое большое количество энергии по сравнению с другими нишами, питая всю цепочку.
В мире существует две разновидности автотрофов в зависимости от способа, которым они синтезируют питательные соединения:
- фотоавтотрофы, производящие фотосинтез при помощи солнечных лучей, поглощая углекислый газ и производя сахар (при этом еще одним побочным продуктом при выработке питания является кислород), примеры: зеленые растения, водоросли, цианобактерии;
- хемоавтотрофы, прибегающие к химическим реакциям, чтобы преобразовать неорганические соединения (водород, аммиак и др.) в органику, в качестве примера можно назвать нитрифицирующие бактерии.
Продуценты — основа всего живого на Земле. Без них не обходится ни одна линия питания, второе их наименование — производители.
Консументы
Консументы — это уже потребительская ступень питания. Гетеротрофы, как еще называют эту группу, не способны самостоятельно производить пищу.
Обмен веществ в их организмах происходит за счет поглощения продуцентов или побочных продуктов их жизнедеятельности.
Гетеротрофы могут происходить из совершенно разных классов существ: млекопитающие, насекомые, грибы и даже растения (среди них тоже встречаются хищники).
Консументы делятся на порядки, их число доходит в разных вариантах пирамиды до четырех.
Порядок зависит от того, представителей какого уровня поедает животное:
- Консументы первого уровня довольствуются редуцентами — к таким гетеротрофам можно отнести ряд насекомых (божья коровка, стрекоза), зверей (заяц, антилопа) или птиц (колибри).
- Представители второго порядка поглощают тех, кто относится к предыдущей группе. Среди них лисы, охотящиеся на зайцев, насекомоядные пернатые (ласточки, скворцы), плотоядные пауки и растения (росянка, жирянка, альдрованда пузырчатая).
- Вершиной гетеротрофов являются хищные птицы (ястреб, орел) и млекопитающие (лев, волк и, разумеется, человек).
В морской экосистеме консументы — основная часть цепи питания, они поглощают около 70—80 % всей имеющейся биомассы (речь идет преимущественно о планктоне).
Редуценты
Данные организмы (называемые также деструкторами, сапрофагами), перерабатывающие отмершие органические останки животных и растений, замыкают круговорот веществ, возвращая минералы и неорганические соединения для синтеза продуцентам.
Они запускают процесс разложения органики.
Само название «редуцент» означает «возвращающий», а «деструктор» — «разрушающий».
Эти создания, как правило, отличаются крохотными размерами, за исключением крупных падальщиков (редуцентов второго порядка), не оставляют отходов жизнедеятельности (экскрементов). К ним относятся часть бактерий, грибов и насекомых (жук-навозник, дождевой червь). Сапрофагов называют «санитарами» экосистем, поскольку они способствуют очищению окружающей среды от гнили и отравляющих веществ, поедая остатки разлагающихся организмов.
Разрушители
Над разрушением некогда бывшей консументом живой органики практически в каждой экосистеме трудятся бактерии и грибы. Редуцентов – растений или животных не бывает ни в одной экосистеме.
Являясь высокомолекулярными соединениями на основе аминокислот, некоторые белки выступают катализаторами (ускорителями, активаторами) химических реакций. Такие белки называются ферментами.
Во взаимодействии бактерии-редуцента с отмершей органикой процесс разложения выглядит следующим образом:
- В клетке бактерии вырабатывается белок – фермент. Белок, необходимый для разложения органики, локализуется на внешней оболочке бактериальной клетки. Такой фермент носит название экзофермент. Примером агрессивного фермента, который присутствует на внешней оболочке бактерии, является коллагеназа. Этот фермент расщепляет коллаген, который присутствует в кожных покровах живых организмов.
- В процессе разложения органики бактерия утилизирует собственную энергию, которая вырабатывается либо за счет кислородного дыхания, либо в результате других энергетических процессов.
- Обменяв энергию на питательные вещества, редуцент возвращает во внешнюю среду продукты такой переработки – неорганические вещества.
Кто такие консументы
Консументы – организмы, являющиеся потребителями органических веществ (в отличие от автотрофов, которые их создают). Также, существенной отличительной чертой гетеротрофов является то, что они не имеют возможности разлагать органические вещества до неорганических. Одной задачи пищи, попадающей в организм консумента – обеспечение в нем протекание процессов жизнеобеспечения, а также для строительства и развития тканей постоянно растущего и развивающегося тела. таким образом в организме консумента происходит первый этап трансформации органического вещества, которые ранее были синтезированы продуцентами. Создание, а также накопление биомассы на уровне консументов носит название вторичной продуции.
В природе не встречаются консументы, которые могли бы существовать в изоляции от представителей аналогичного вида. Яркий пример, подтверждающий это – существующая между ними конкуренция. Чаще всего она наблюдается на участках, где плотность животных высока, а ресурсы строго ограничены. По мере того, как растет количество консументов, скорость потребления пищи со стороны каждого из них снижается.
Любопытно, что подобное явление наблюдается и там, где пищевые ресурсы не ограничены. В этом случае скорость потребления пищи каждой отдельно взятой особью снижается за счет взаимной интерференции. Взаимодействуя друг с другом, животные вынуждены терять на этот процесс время, закономерны результатом этого становится снижение скорости потребления.
В случае если консументу удается покинуть кормовое пятно в короткие сроки, он будет получать меньшее количество энергии, а скорость ее получения будет задаваться наклоном этого отрезка. В той же ситуации, если время пребывания консумента увеличится, количество полученной им энергии существенно возрастет, он получит значительно больше энергии, а на скорости потребления это отразится мало.
Внутри целостной группы консументов можно выделить несколько разновидностей живых существ. Это:
- Монофаги (организмы, питающиеся исключительно жертвами одного вида).
- Олигофаги (живые существа, в рацион которых входит ограниченное, небольшое количество живых существ).
- Полифаги (существа, которые питаются многими видами живых существ).
Более узкая классификация предлагает подразделять животных-консументов на две категории: специалисты, к которым относятся монофаги и олигофаги и полифаги, которые также называются универсалами. Примеры представителей подобных классов можно отыскать как среди растительноядных млекопитающих, хищников, птиц, паразитоидов и т.д.
Но спектр питания может различаться даже внутри подтипов. К примеру, среди хищников существуют животные, поглощающие исключительно один тип пищи, но более широкий пищевой спектр среди них не редкость. В то же время главным образом специализированные паразитоиды могут быть монофагами.
Различают консументов первого, второго и третьего порядка. Несмотря на то, что эта классификация распространена достаточно широко, однозначно относить живой организм к той или иной категории зачастую не так просто. Трудности могут вызывать, в частности, организмы, рацион которых составлен как растительного, так и животного корма. Кроме того, консументы, употребляемые в пищу другими животными этой категории, сами могут относиться к разным порядкам.
Продукция группировки и трофические (экологические) пирамиды
Понятия о биоценозе, продуцентах и консументах лежат в основе математических (экологических) расчетов продуктивности экосистем.
Рассчитать продуктивность группировки, исходя из сведений о продукции даже всех её популяций практически невозможно. Поэтому единственный путь — холистический подход к расчету отдельных составляющих биопродукции процесса группировки в целом.
Р = A1 – R1 – R2 – … – Rn,
где: Р — чистая продукция группировки; А1 — ассимилированная первым трофическим уровнем энергия (уровнем продуцентов); R1 — количество энергии, которая рассеивается в процессе дыхания первым трофическим уровнем; R2 — вторым трофическим уровнем; Rn — n-ным трофическим уровнем.
Таким образом, «вклад» консументов всех трофических уровней в формирование продукции группировки заключается в энтропизации энергии, пропорциональной величине их дыхания.
В большинстве случаев между величиной первичной и вторичной продукции существует прямая зависимость. Вместе с тем, следует иметь в виду, что в биотической группировке консументы всех порядков существенно влияют на уровень биопродукционного процесса предварительного трофического уровня.
Замечание 1
Одна из важнейших термодинамических характеристик био- и экосистем и биосферы в целом — способность создавать и поддерживать высокий уровень внутренней упорядоченности, то есть состояния с низким уровнем энтропии. Это достигается постоянным и эффективным рассеянием энергии, которая доступна для использования (энергия света, неорганических и органических веществ) и преобразованием ее в тепловую.
Таким образом, эко- и био-системы являются открытыми неравновесными термодинамическими системами, которые постоянно уменьшают энтропию за счет роста внешней энтропии согласно законам термодинамики.
Энергетическая структура экосистемы находит свое проявление в особенностях трофической сети, цепей питания, соотношении трофических уровней. Современная энергетика биосферы основывается, главным образом, на фотосинтетическом восстановлении диоксида углерода. В процессе его восстановления образуются органические вещества и молекулярный кислород. В этой реакции донором водорода может быть сероводород (у фотосинтезирующих серобактерий), вода (у цианобактерий и зеленых растений), или различные органические соединения (в пурпурных бактериях).
Таким образом энергетическая структура экосистемы представляет собой следующую цепочку: энергия на входе (энергия Солнца или химических соединений) — продуценты (фотоавтотрофы или хемотрофы) — консументы 1-го, 2-го и n-го порядков.
Графическое или числовое изображение соотношение трофических уровней — трофическая (экологическая) пирамида. Различают пирамиды численности, биомассы, продукции и энергии. Наиболее правильную форму имеют пирамиды энергии и производства.
Соотношение биомассы на разных уровнях
Учитывая сказанное выше, можно сделать вывод, что для сохранения экологического равновесия количество живых организмов на предыдущем уровне должно значительно превышать таковое на следующем. Иными словами, производителей должно быть больше, чем потребителей. При этом количество хищников на последующих уровнях уменьшается, но они становятся крупнее. Этот закон получил название правила экологической пирамиды.
Как же обстоит дело с редуцентами? Смена экосистем не имеет здесь значения: редуценты в ней все равно будут присутствовать. Именно их взаимная зависимость с консументами и продуцентами обеспечивает гарантию того, что при любых катастрофических обстоятельствах биогеоценоз не будет разрушен, и утраченные связи восстановятся.
Что же касается соотношения редуцентов и остальных групп в природе, то это вопрос довольно сложный, ведь мы имеем дело с чрезвычайно маленькими организмами. Как свидетельствуют исследования, ни общая их биомасса, ни численность не могут говорить о степени их продуктивности. Измерение такой биомассы затруднено и к тому же мало информативно. Так, количество микроорганизмов в почве может оставаться одним и тем же, но в различных условиях они будут демонстрировать разную активность.
Можно говорить о том, что в продуктивных экосистемах биомасса этих микроорганизмов составляет примерно 10-100 г на квадратный метр. Если посмотреть на показатели в тундре или пустыне, то они будут намного меньше, как и активность редуцентов. Смена экосистемы в данном примере дает возможность учитывать разные условия обитания.
Продуценты
Луговая трава, получающая энергию для роста в процессе фотосинтеза является типичным примером продуцентов
Продуценты — это организмы, которые сами производят себе еду. Им не нужно брать питательные вещества у других организмов. Они получают свою энергию от солнца и производят из нее органические вещества посредством фотосинтеза. Продуценты относятся к автотрофам (организмы, которые синтезируют органические вещества из неорганических). Большинство продуцентов — это растения, но есть и микроорганизмы, которые производят питательные вещества с помощью фотосинтеза или хемосинтеза. Продуценты являются начальным звеном любой простой пищевой цепи. Если в качестве примера рассматривать экосистему африканской саванны, то к продуцентам относятся все растения, произрастающие в ней.
Биологическое значение
Составление цепей питания помогает контролировать численность каждой из популяций во множестве существующих экосистем. По этим линейным изображениям ученым-биологам и экологам удобно отслеживать изменения в видовом многообразии той или иной зоны, просчитывать характер и степень влияния на виды тех или иных факторов: загрязнения, урбанизации, подселения новых пород, смена климата, экологические проблемы.
Достаточно наглядно показывают трофические пирамиды превосходство одной популяции над другой, их взаимоотношения, когда резкое увеличение одного вида ведет к сокращению другого. Таким образом, изучение пищевых взаимосвязей в природе при помощи трофических цепей способствует контролю над состоянием экологии и защите уязвимых разновидностей животных, грибов и растений, поддержанию естественного баланса в биосфере.
Видовая и пространственная структуры экосистемы
При рассмотрении любых экосистем в горизонтальном и вертикальном направлении, можно отметить неоднородность расположения в них живых организмов.
Видовая структура экосистемы – это многообразие видов, их взаимодействие и соотношение численности. Различные сообщества, состоящие из разных видов, образуют видовое разнообразие экосистемы. Например, в степи на площади 100 м2 произрастают растения, принадлежащие к 100 разным видам.
Видовая структура экосистемы определяется также и соотношением численности особей разных видов в экосистеме. Например, в одном лесу могут обитать около 10 видов птиц по 100 особей каждого вида. В другом лесу то же количество видов включает неоднородное соотношение особей каждого вида: особи одних видов по численности могут превосходить другие виды, и наоборот. Виды, в популяции которых содержится наибольшее количество особей, называются доминантами. Например, в степях доминантами являются ковыль и типчак, так как именно представители этих видов преобладают в экосистеме по численности. Доминанты определяют структуру экосистемы и, как правило, не имеют врагов, что дает им заметное преимущество к процветанию.
Эдификатор — основной образователь среды. Обычно доминирующий вид является и эдификатором. Например, сосна в сосновом бору считается как доминантом, так и эдификатором. Во-первых, по биомассе сосна значительно превосходит остальные организмы данной экосистемы, а во-вторых, она создает условия для существования “соседей”, затеняя нижние ярусы, окисляя почву.
Пространственная структура экосистемы – это расположение популяций разных видов в экосистеме. Пространственная структура экосистемы бывает вертикальной и горизонтальной. Растительность определяет главным образом вертикальную структуру экосистемы. Совокупность растений одинаковой высоты формирует ярусы. Выделяют около пяти ярусов, образованных разными жизненными формами растений: древесный (верхний и нижний), кустарниковый, кустарниково-травяной, мхово-лишайниковый. Высокие деревья (сосна, ель, дуб, береза) составляют верхний (первый) ярус. Далее располагаются деревья пониже (рябина, осина, черемуха, яблоня), образующие второй ярус. Затем идут кустарники (шиповник, жимолость, крушина, ежевика), формирующие третий ярус. Мхи, низкорослые травы и лишайники создают самый нижний ярус.
Ярусное расположение растительности определяется, прежде всего, их неодинаковой потребностью в солнечном свете: верхний ярус занимают светолюбивые растения, под пологом которых прячутся теневыносливые.
Животные также могут занимать тот или иной растительный ярус, практически не покидая его.
Ярусность бывает не только надземная, но и подземная. Почвенную ярусность определяет характер залегания корневой системы различных растений. Корни наиболее высоких деревьев проникают на большую глубину, чем корни кустарников, ближе к поверхности располагаются корни мелких травянистых растений, а непосредственно на ней — мхи. При этом, в поверхностных слоях почвы корней значительно больше, чем в глубинных.
Горизонтальная структура экосистемы (мозаичность) – это неравномерное распределение популяций отдельных видов по площади. Мозаичность возникает вследствие неоднородности рельефа почвы, а также может быть результатом деятельности человека (например, кострища, выборочная рубка). Животные тоже оказывают влияние на горизонтальную структуру экосистемы (вытаптывание копытными травостоя, образование муравейников).
Горизонтальная структура экосистемы
Вертикальная структура экосистемы
Вертикальная и горизонтальная структуры экосистемы позволяют организмам наиболее эффективно использовать световой поток, минеральные вещества почвы и влагу.
