Харчові зв'язки, потоки енергії та колообіг речовин в екосистемах

Взаємозв’язки між організмами в екосистемах

Усі популяції організмів, які входять до складу певної екосистеми, пов’язані між собою більш-менш тісними прямими та непрямими взаємозв’язками. Прямі зв’язки безпосередньо зв’язують популяції двох видів (популяції хижака та його здобичі, популяції рослин і рослиноїдних видів тварин). У разі непрямих зв’язків популяція одного виду впливає на популяцію іншого опосередковано, через популяції третього. Наприклад, хижаки, регулюючи чисельність здобичі, водночас впливають і на популяції організмів, якими живляться їхні жертви. Зв’язки між популяціями різних видів бувають антагоністичними, нейтральними та мутуалістичими.

За антагоністичних взаємозв’язків (конкуренція, паразитизм, хижацтво) кожна із взаємодіючих популяцій різних видів відчуває негативний вплив іншої.

Найгострішу конкуренцію спостерігають між представниками одного виду або різних видів з подібними екологічними вимогами. Прикладом внутрішньовидової конкуренції може слугувати одновіковий сосновий ліс.

За нейтральних взаємозв’язків жоден з видів, що мешкають на спільній території, не відчуває на собі безпосереднього негативного чи позитивного впливу іншого.

Наприклад, популяції хижаків різних видів, які живляться різними видами здобичі, можуть не конкурувати між собою. Але стан їхніх популяцій опосередковано залежить від густоти популяцій рослин, які є кормовою базою для популяцій здобичі - різних рослиноїдних видів.

Приклади мутуалістичних відносин: 1 - рак-самітник та актинія; 2 - мікориза (гриби і коренева система дерева)

За мутуалістичних (взаємовигідних) взаємозв’язків кожний із взаємопов’язаних видів отримує певну користь (пригадайте взаємозв’язки бульбочкових бактерій і бобових рослин, одноклітинних тварин - джгутикових - і комах, у кишечнику яких вони мешкають).

Біотичну частину екосистеми складають різні групи організмів, об’єднані між собою просторовими і харчовими (трофічними) зв’язками:

• продуценти (від лат. продуцентіс - той, що створює) - популяції автотрофних організмів, здатних синтезувати органічні речовини з неорганічних (фототрофні або хемотрофні організми);

• консументи (від лат. консумо - споживаю) - популяції гетеротрофних організмів, які живляться живими істотами чи мертвою органічною речовиною (фітофаги, хижаки, паразити, сапротрофи);

• редуценти (від лат. редуцентіс - той, що повертає, відновлює) - популяції організмів, які, споживаючи мертву органічну речовину, розкладають її до неорганічних сполук (різноманітні бактерії, гриби).

Перетворення енергії в біогеоценозах

Функціонування будь-якої екосистеми пов’язане з перетворенням енергії та колообігом речовин, тобто хімічними та фізичними процесами, які забезпечують життєдіяльність біологічних систем. Основним джерелом енергії є сонячне світло. Фототрофи вловлюють його і перетворюють на енергію хімічних зв’язків органічної речовини, яку вони синтезують. Частину накопиченої енергії рослини витрачають на забезпечення власних процесів життєдіяльності, інша - переходить до організмів, які споживають зелені рослини або їхні рештки.

Гетеротрофи отримують необхідну їм енергію внаслідок ферментативного розщеплення органічних речовин. Вони засвоюють для побудови речовин свого тіла лише незначну частину енергії хімічних зв’язків їжі (10-20 %), а решта розсіюється у вигляді тепла, витрачаючись на процеси життєдіяльності. Подібне спостерігають і під час поїдання фітофагів хижаками і т. п. Отже, на кожному етапі передачі енергії від одних організмів до інших більша частина її витрачається (розсіюється у вигляді тепла); і лише незначна частка перетворюється в потенційну енергію хімічних зв’язків синтезованих ними сполук.

Послідовності, у яких особини одного виду, їхні рештки або продукти життєдіяльності слугують об’єктом живлення для організмів іншого, називають ланцюгами живлення. Кожний ланцюг живлення складається з певної кількості ланок (мал. 278). Оскільки під час переходу від попередньої ланки до наступної значна частина енергії втрачається, то кількість ланок обмежена і, зазвичай, не перевищує 4-5.

Приклади ланцюгів живлення: І - наземної екосистеми; II - водної екосистеми

Популяція кожного виду займає в певному ланцюзі живлення певне положення - трофічний рівень. Здебільшого, першою ланкою слугують продуценти. Наступні трофічні рівні належать консументам, вони і визначають кількість ланок, через яку до них надходить енергія продуцентів.

Так, рослиноїдні тварини займають наступний, після продуцентів, трофічний рівень (консументи І порядку), далі йде рівень хижаків, які живляться рослиноїдними видами (консументи II порядку).

Якщо консументи споживають різні види їжі, вони можуть перебувати на різних трофічних рівнях. Наприклад, сіра ворона може живитися зерном (консумент І порядку); пташенятами зерноїдних (консумент II порядку) чи комахоїдних видів птахів (консумент III порядку). Відмерлі продуценти або їхні частини, як-от листяний опад, рештки чи продукти життєдіяльності організмів, становлять кормову базу консументів і редуцентів, які в кілька етапів розкладають органічні сполуки до неорганічних.

Таким чином, в екосистемі енергія у вигляді хімічних зв’язків органічних сполук накопичується на рівні продуцентів, проходить через організми консументів і редуцентів, але на кожному з послідовних трофічних рівнів частково розсіюється у вигляді тепла. Енергія, яка зберігається в мертвій органічній речовині, значною мірою переходить у тепло внаслідок діяльності редуцентів.

Оскільки під час передачі енергії від нижчого трофічного рівня до вищого більша її частина втрачається у вигляді тепла, колообіг енергії, на відміну від колообігу речовини, неможливий. Для функціонування екосистеми потрібне постійне надходження енергії ззовні, тому незаперечною умовою існування будь-якої екосистеми є наявність зелених рослин, які вловлюють сонячну енергію.

Таким чином, в екосистемі енергія у вигляді хімічних зв’язків органічних сполук накопичується на рівні продуцентів, проходить через організми консументів і редуцентів, але на кожному з послідовних трофічних рівнів частково розсіюється у вигляді тепла. Енергія, яка зберігається в мертвій органічній речовині, значною мірою переходить у тепло внаслідок діяльності редуцентів.

Продуктивність екосистем

Кожна екосистема характеризується певною продуктивністю. Її виражають в одиницях маси або енергії. Розрізняють продуктивність первинну та вторинну, створену відповідно автотрофними та гетеротрофними організмами. Для всіх екосистем характерні певні закономірності передачі енергії та біомаси між трофічними рівнями. Їх відображає правило екологічної піраміди: на кожному попередньому трофічному рівні кількість біомаси та енергії, що запасаються організмами за одиницю часу, значно більша, ніж на наступних. Графічно це можна зобразити у вигляді піраміди, складеної з окремих блоків. Кожен із блоків відповідає продуктивності організмів на відповідному трофічному рівні ланцюга живлення. Так, кількісні закономірності передачі маси органічної речовини від одного трофічного рівня ланцюга живлення до іншого (продуктивність організмів при цьому виражають у одиницях маси сухої речовини) відбиває піраміда біомаси (мал. 280).

Приклад трофічної сітки

Приклад екологічної піраміди біомаси

Піраміда біомаси демонструє ту закономірність, що консументи І порядку запасають у 5-10 разів меншу біомасу, ніж біомаса продуцентів, яку вони споживають. І так далі: з кожною наступною ланкою ланцюга живлення біомаса, яку запасають організми вищого трофічного рівня, зменшується в 5-10 разів порівняно з тією, яку вони споживають.

Відповідні закономірності передачі енергії від однієї ланки ланцюга живлення до іншої демонструє піраміда енергії. Кожний її блок відповідає кількості хімічної енергії, яка запасається на відповідному трофічному рівні. Вона показує, що більша частина енергії під час передачі з нижчого трофічного рівня на вищий витрачається у вигляді тепла, а запасається лише 10-20 % порівняно з попереднім.

Дайте відповіді на запитання:

1. Що таке продуктивність?

2. Хто такі консументи?

3. Які бувають ланцюги живлення?

Складіть харчовий ланцюг водної екосистеми вашої місцевості та прикріпіть файл у це поле.