4. Круговорот веществ в экосистемах. Потоки энергии в экосистемах. Трофические цепи и экологические пирамиды.
Трофическая (функциональная) структура биоценозов. Цепи питания. Любой биоценоз включает несколько трофических (пищевых) уровней или звеньев, обеспечивающих обращение энергии в сообществе.
Первый уровень представлен растениями. Их называют автотрофами (греч. autos – сам и trophe - питание) или продуцентами (лат. producentis - создающий). Эти организмы из неорганических компонентов окружающей среды СО2 и Н2О, используя энергию солнца, создают (продуцируют) органические питательные вещества. В процессе фотосинтеза образуется также молекулярный кислород, жизненно важный для большинства живых организмов Земли.
Второй и последующие уровни трофической цепи представлены животными. Их называют гетеротрофами (греч. геторос -другой) или консументами (лат consumo – потреблять). Их функцией является потребление органических веществ и их распределение в экосистеме.
Последний уровень представлен в основном бактериями и грибами, питающимися мертвым веществом. Их называют редуцентами (лат. reducentis - возвращать). Они разлагают органическое вещество до исходных минеральных элементов - воды и некоторых газов.
Такое взаимодействие всех групп организмов в экосистеме называют круговоротом веществ и энергии.
Перенос запасенной автотрофами энергии в виде химических связей продуктов фотосинтеза к потребителям (гетеротрофам) через последовательный ряд организмов, происходящий в результате поедания одними организмами других, называется пищевой цепью. Число звеньев в пищевой цепи бывает от 3 до 5 (рис. 2).
Главное свойство цепи питания - осуществление биологического круговорота веществ и высвобождение запасенной в органическом веществе энергии.
Рисунок 2. - Схема трофической структуры биоценоза (цепь питания)
В естественных условиях за счет того, что у многих организмов имеется не один, а множество источников питания (например, волк может питаться и зайцами, и оленями, и мышами), и, наоборот, один многочисленный организм является источником пищи для многих потребителей, цепи питания пересекаются, и образуется пищевая сеть. В естественных условиях пищевые сети встречаются гораздо чаще, чем отдельные цепи питания.
При переходе к каждому последующему звену пищевой цепи общее количество энергии, передаваемой на более высокий трофический уровень, уменьшается. При этом было установлено, что на каждый последующий уровень передается не более 10% энергии предыдущего уровня (правило Линдемана). То есть, теленку, чтобы набрать один килограмм массы нужно съесть не менее 10 килограммов травы, а человеку, чтобы набрать один килограмм массы нужно съесть не менее 10 килограммов мяса теленка. В математическом выражении эффективность передачи энергии по цепи питания составляет 1/10, поэтому в цепи питания не может быть больше 4‑5 звеньев.
Из правила Линдемана следует одно очень важное в современных условиях следствие: если в окружающей среде появляется загрязняющее вещество, то оно передается по цепи питания в обратном отношении – 10:1, то есть, в каждом следующем звене пищевой цепи накапливается загрязняющих веществ в 10 раз больше, чем у предыдущего. В результате наиболее чувствительными к загрязнению оказываются последние компоненты цепи питания - хищники и, в том числе, люди. Особенно подвержены токсическому воздействию загрязнителей дети.