Пищевые цепи, трофические сети и уровни

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственно бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И  РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

(ТУСУР)

        Кафедра радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга

(РЭТЭМ)

                         Курсовая работа по дисциплине «Общая экология » на тему:

                                         « Пищевые цепи, трофические сети и уровни»

                                                                              2013

Содержание

Техническое задание………………………………………………………………………...3

Введение………………………………………………………………………………………4

Глава 1.  Пищевые цепи, сети и уровни………………………………………….................5

1. Пищевые цепи………………………………………………………………...5
2. Трофические уровни………………………………………………………….8
3. Трофические сети……………………………………………………………..9

Глава 2. Экологические пирамиды………………………………………………………...10

               2.1 Пирамиды численности……………………………………………………....10

                2.2 Пирамиды биомассы………………………………………………………….11

                2.3 Пирамиды энергии……………………………………………………………12

Глава  3. Закономерности трофического оборота в биоценозе…………………………..15

                 3.1 Правило десяти процентов…………………………………………………..16

                 3.2 Правило биологического усиления…………………………………………16

Глава 4.Трофические  сети конкурирующих биоценозов. ……………………………....18

                 4.1    Пищевые связи пресного водоема…………………………………………18

                 4.2    Пищевые связи леса…………………………………………………….......18

Заключение……………………………………………………………………………….....20

Список  используемой литературы………………………………………………………21

Техническое задание.

Цель курсовой – дать характеристику пищевым связям в  природе.

Задачи:

1.Дать общую характеристику  пищевых сетей и уровней.

1. Трофические цепи.
2. Трофические сети.

2.Рассмотреть экологические пирамиды.

                 2.1 Пирамиды численности.

                 2.2 Пирамиды биомассы.

                 2.3 Пирамиды энергии.

3.  Изучить трофические сети конкурирующих биоценозов.

                 3.1   Пищевые связи пресного водоема.

                 3.2    Пищевые связи леса.

Введение

Организмы в природе связаны  общностью энергии и питательных  веществ. Всю экосистему можно уподобить  единому механизму, потребляющему  энергию и питательные вещества для совершения работы. Питательные  вещества первоначально происходят из абиотического компонента системы, в который, в конце концов, и  возвращаются либо в качестве отходов  жизнедеятельности, либо после гибели и разрушения организмов.

Внутри экосистемы содержащие энергию органические вещества создаются  автотрофными организмами и служат пищей (источником вещества и энергии) для гетеротрофов. Типичный пример:  животное поедает растения. Это животное в свою очередь может быть съедено  другим животным, и таким путем  может происходить перенос энергии  через ряд организмов – каждый последующий питается предыдущим, поставляющим, поставляющим ему сырье и энергию. Такая последовательность называется пищевой цепью, а каждое ее звено  – трофическим уровнем.

Глава 1.  Пищевые  цепи, сети и уровни.

Пищевая цепь - система передачи вещества и энергии от организма к организму, в которой каждый предыдущий организм истребляется последующим.

Трофический уровень - это совокупность организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания и выступающие для каждого последующего уровня в качестве пищи.

Трофическая сеть (от греч. trophe - питание), трофическая цепь - характерная для биоценозов структура трофических связей в виде сложной сети, в узлах которой находятся виды со своими консорциями и микроконсорциями

1. Пищевые цепи.

Пищевая цепь - система передачи вещества и энергии от организма к организму, в которой каждый предыдущий организм истребляется последующим.

Между автотрофами  и гетеротрофами в экосистемах  существуют сложные пищевые взаимодействия. Одни организмы поедают другие, и  таким образом осуществляют перенос  веществ и энергии - основу функционирования экосистемы.

Внутри экосистемы органические вещества создаются автотрофными организмами, например, растениями. Растения поедают животные, которых, в свою очередь, поедают другие животные. Такая  последовательность называется пищевой  цепью (рис.1), а каждое звено пищевой  цепи называется трофическим уровнем.

Различают

• пастбищные пищевые цепи
• детритные пищевые цепи
• паразитические пищевые цепи

(Рис .1) - Пищевая цепь.

Пастбищные пищевые цепи (цепи выедания) - пищевые цепи, которые начинаются с автотрофных фотосинтезирующих или хемосинтезирующих организмов (рис. 2.). Пастбищные пищевые цепи распространены преимущественно в сухопутных и морских экосистемах.

Примером может служить пастбищная пищевая цепь луга. Начинается такая  цепь с улавливания солнечной  энергии растением. Бабочка, питающаяся нектаром цветка, представляет собой  второе звено в этой цепи. Стрекоза - хищное летающее насекомое - нападает на бабочку. Спрятавшаяся среди зеленой  травы лягушка ловит стрекозу, но сама служит добычей для такого хищника, как уж. Целый день уж мог  бы переваривать лягушку, но еще не успело зайти солнце, как сам стал добычей другого хищника.

Пищевая цепь, идущая от растения через  бабочку, стрекозу, лягушку, ужа к  ястребу, указывает путь направления  движения органических веществ, а также  содержащейся в них энергии.

В океанах и морях автотрофные  организмы (одноклеточные водоросли) существуют только до глубины проникновения  света (максимум до 150-200 м). Гетеротрофные организмы, обитающие в более глубоких слоях воды, ночью поднимаются к поверхности, чтобы питаться водорослями, а утром вновь уходят на глубину, совершая суточные вертикальные миграции протяженностью до 500-1000 м. В свою очередь, с наступлением утра гетеротрофные организмы из еще более глубоких слоев поднимаются наверх, чтобы питаться за счет опускающихся из поверхностных слоев других организмов.

Таким образом, в глубоких морях  и океанах существует своеобразная "пищевая лестница", благодаря  которой органическое вещество, созданное  автотрофными организмами в поверхностных  слоях воды, переносится по цепочке  живых организмов до самого дна. В  этой связи некоторые морские  экологи считают всю водную толщу  единым биогеоценозом. Другие полагают, что условия среды в поверхностных  и придонных слоях воды настолько  различны, что их нельзя рассматривать  как единый биогеоценоз.

Детритные пищевые цепи (цепи разложения) - пищевые цепи, которые начинаются с детрита - отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных.

(Рис. 2) –Некоторые пищевые цепи в экосистемах

Детритные цепи наиболее характерны для сообществ континентальных водоемов, дна глубоких озер, океанов, где многие организмы питаются детритом, образованным отмершими организмами верхних освещенных слоев водоема или попавшим в водоем из наземных экосистем, например, в виде листового опада.

Экосистемы дна морей и океанов, куда не проникает солнечный свет, существуют только за счет постоянного  оседания туда отмерших организмов, обитающих  в поверхностных слоях воды. Общая  масса этого вещества в Мировом  океане за год достигает не менее  нескольких сотен миллионов тонн.

Распространены детритные цепи также и в лесах, где большая часть ежегодного прироста живой массы растений не потребляется непосредственно растительноядными животными, а отмирает, образуя опад, и разлагается затем сапротрофными организмами с последующей минерализацией редуцентами. Большое значение в разложении отмерших остатков растительного происхождения, особенно древесины, имеют грибы.

Гетеротрофные организмы, питающиеся непосредственно детритом, называются детритофагами. В наземных экосистемах ими являются многие виды насекомых, червей и др. Крупные детритофаги, к которым относятся некоторые виды птиц (грифы, вороны и т.д.) и млекопитающих (гиены и пр.) называют падальщиками.

(Рис 3.) –Схема пищевых цепей.

В водных экосистемах наиболее распространенными  детритофагами являются членистоногие - водные насекомые и их личинки, и ракообразные. Детритофагами могут питаться другие, более крупные гетеротрофные организмы, которые могут сами служить пищей для хищников.

Паразитические пищевые  цепи - пищевые цепи, которые начинаются свободноживущим организмом, на котором паразитируют паразиты первого порядка, на них, в свою очередь, паразиты второго порядка и т.д.

Аскариды, паразитирующие на пойкилотермных организмах, являются паразитами первого  порядка, паразитирующие в клетках  аскарид одноклеточные эукариоты - паразитами второго вирусы (бактериофаги) - паразиты четвертого порядка и  т.д.

2. Трофические уровни.

Трофический уровень - это совокупность организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания и выступающие для каждого последующего уровня в качестве пищи.

Звенья  пищевой цепи представляют собой  трофические уровни - последовательно  удаленные от продуцентов в пищевой  цепи совокупности организмов.

(Рис. 4) –Упрощённая схема цепей в наземной экосистеме.

Организмы первого трофического уровня в пастбищных пищевых цепях - это первичные продуценты, автотрофные  организмы - растения лугов, лесов, водоемов, хемосинтезирующие бактерии. В детритных пищевых цепях автотрофные организмы отсутствуют, а первый трофический уровень детритной пищевой цепи образует детрит.

Второй трофический уровень  цепи питания образуют консументы первого порядка - в основном растительноядные животные - фитофаги. Кроме того, в его состав входят высшие и низшие растения-паразиты, а также питающиеся фитопланктоном представители зоопланктона.

Третий трофический уровень  составляют консументы второго порядка - плотоядные животные - зоофаги, поедающие растительноядных животных. Это хищники первого порядка - мелкие млекопитающие, насекомоядные птицы. Сюда же относятся эндо- и эктопаразиты зоофагов, а также те фитофаги, которые живут за счет поедания растений-паразитов.

Четвертый трофический уровень  представлен консументами третьего порядка - более крупными плотоядными животными - хищниками второго порядка, а также животными, паразитирующими на хищниках первого порядка.

Конечным, пятым, трофическим  уровнем являются потребители мертвого органического вещества и продуктов  жизнедеятельности - деструкторы (редуценты). К ним относятся: беспозвоночные животные - сапрофаги, копрофаги, некрофаги, поедающие остатки, отбросы и трупы организмов; растения-сапрофаги, питающиеся органическими веществами растительного опада и отпада; гетеротрофные микроорганизмы, осуществляющие окончательное разложение растительных и животных органических веществ до простых минеральных соединений (СО₂, Н₂О), которые возвращаются в экосистему и вновь принимают участие в круговороте веществ усваиваясь автотрофными организмами.

Обычно различные  трофические уровни в экосистемах  не разделены в пространстве. Однако в некоторых случаях они достаточно четко дифференцированы. Например, в геотермальных источниках автотрофные  организмы - сине-зеленые водоросли  и автотрофные бактерии, образующие специфические водорослево-бактериальные сообщества ("маты") распространены при температуре свыше 40-45° С. При более низких температурах они не выживают.

С другой стороны, гетеротрофные  организмы (моллюски, личинки водных насекомых и др.) в геотермальных  источниках не встречаются при температурах более 33-36° С, поэтому они питаются фрагментами мата, сносимого течением в зоны с более низкой температурой.

Таким образом, в  таких геотермальных источниках четко выделяется автотрофная зона, где распространены только автотрофные  организмы, и гетеротрофная зона, где автотрофные организмы отсутствуют  и встречаются только гетеротрофные  организмы.

                         1.3 Трофические сети.

В экологических системах, несмотря на существование ряда параллельных пищевых цепей, например,

травянистая растительность -> грызуны -> мелкие хищники  
травянистая растительность -> копытные -> крупные хищники,

которые объединяют обитателей почвы, травянистого покрова, древесного яруса, существуют и другие взаимосвязи. В большинстве случаев один и  тот же организм может служить  источником пищи для многих организмов и тем самым являться составной  частью различных пищевых цепей  и жертвой разных хищников. Например, дафнию может съесть не только мелкая рыба, но и хищный рачок циклоп, а  плотву - не только щука, но и выдра.

В результате таких взаимосвязей в  экосистеме формируются трофические (от греч. trophe - питание) сети - сложный тип взаимоотношений, включающий разные цепи питания (рис. 3, 4, 5). Сложность пищевых цепей многократно возрастает, если принять во внимание, что у членов цепей питания - организмов-хозяев - имеются многочисленные специфические паразиты, которые в свою очередь являются звеньями других цепей. Например, обыкновенная белка является хозяином 50 видов паразитов.

Трофическая структура сообщества отражает соотношение между продуцентами, консументами (отдельно первого, второго и т.д. порядков) и редуцентами, выраженное или количеством особей живых организмов, или их биомассой, или заключенной в них энергией, рассчитанными на единицу площади в единицу времени.

                                           Глава 2. Экологические пирамиды.

Экологическая пирамида - графические изображения соотношения между продуцентами и консументами всех уровней (травоядных, хищников; видов, питающихся другими хищниками) в экосистеме.

Схематически изображать эти соотношения предложил американский зоолог Чарльз Элтон в 1927 году.

При схематическом изображении  каждый уровень показывают в виде прямоугольника, длина или площадь  которого соответствует численным  значениям звена пищевой цепи (пирамида Элтона), их массе или энергии. Расположенные в определенной последовательности прямоугольники создают различные  по форме пирамиды.

Основанием пирамиды служит первый трофический уровень - уровень  продуцентов, последующие этажи  пирамиды образованы следующими уровнями пищевой цепи - консументами различных порядков. Высота всех блоков в пирамиде одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне. Экологические пирамиды различают в зависимости от показателей, на основании которых строится пирамида. При этом для всех пирамид установлено основное правило, согласно которому в любой экосистеме больше растений, чем животных, травоядных, чем плотоядных, насекомых, чем птиц.

На основе правила экологической  пирамиды можно определить или рассчитать количественные соотношения разных видов растений и животных в естественных и искусственно создаваемых экологических  системах. Например, 1 кг массы морского зверя (тюленя, дельфина) нужно 10 кг съеденной  рыбы, а этим 10 кг нужно уже 100 кг их корма - водных беспозвоночных, которым  в свою очередь для образования  такой массы необходимо съедать 1000 кг водорослей и бактерий. В данном случае экологическая пирамида будет  устойчива.

Однако, как известно, из каждого правила бывают исключения, которые будут рассмотрены в  каждом типе экологических пирамид.

                                               2.1 Пирамиды численности.  

Пирамиды чисел - на каждом уровне откладывается численность отдельных организмов

Пирамида чисел отображает отчетливую закономерность, обнаруженную Элтоном: количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается (рис.3).

Например, чтобы прокормить одного волка, необходимо по крайней мере несколько зайцев, на которых он мог бы охотиться; чтобы прокормить этих зайцев, нужно довольно большое количество разнообразных растений. В данном случае пирамида будет иметь вид треугольника с широким основанием суживающимся кверху.

Однако подобная форма  пирамиды чисел характерна не для  всех экосистем. Иногда они могут  быть обращенными, или перевернутыми. Это касается пищевых цепей леса, когда продуцентами служат деревья, а первичными консументами - насекомые. В этом случае уровень первичных консументов численно богаче уровня продуцентов (на одном дереве кормится большое количество насекомых), поэтому пирамиды чисел наименее информативны и наименее показательны, т.е. численность организмов одного трофического уровня в значительной степени зависит от их размеров.

(Рис. 5)-Упрощённая экологическая пирамида чисел.

                                                     2.2 Пирамиды биомассы.

Пирамиды биомасс - характеризует общую сухую или сырую массу организмов на данном трофическом уровне, например, в единицах массы на единицу площади - г/м², кг/га, т/км² или на объем - г/м³ (рис.6)

Обычно в наземных биоценозах общая масса продуцентов больше, чем каждого последующего звена. В свою очередь, общая масса консументов первого порядка больше, нежели консументов второго порядка и т.д.

В данном случае (если организмы  не слишком различаются по размерам) пирамида также будет иметь вид  треугольника с широким основанием суживающимся кверху. Однако и из этого  правила имеются существенные исключения. Например, в морях биомасса растительноядного  зоопланктона существенно (иногда в 2-3 раза) больше биомассы фитопланктона, представленного преимущественно  одноклеточными водорослями. Это объясняется  тем, что водоросли очень быстро выедаются зоопланктоном, но от полного  выедания их предохраняет очень высокая скорость деления их клеток.

В целом для наземных биогеоценозов, где продуценты крупные и живут  сравнительно долго, характерны относительно устойчивые пирамиды с широким основанием. В водных же экосистемах, где продуценты невелики по размеру и имеют короткие жизненные циклы, пирамида биомасс  может быть обращенной, или перевернутой (острием направлена вниз). Так, в  озерах и морях масса растений превышает массу потребителей только в период цветения (весной), а в  остальное время года может создаться  обратное положение.

Пирамиды чисел и биомасс  отражают статику системы, т. е. характеризуют  количество или биомассу организмов в определенный промежуток времени. Они не дают полной информации о  трофической структуре экосистемы, хотя позволяют решать ряд практических задач, особенно связанных с сохранением  устойчивости экосистем.

Пирамида чисел позволяет, например, рассчитывать допустимую величину улова рыбы или отстрела животных в охотничий период без последствий  для нормального их воспроизведения.

(Рис. 6) -  Пример сезонного изменения в пирамиде биомассы.

                                                    2.3 Пирамиды энергии.

Пирамиды энергии - показывает величину потока энергии или продуктивности на последовательных уровнях

В противоположность пирамидам  чисел и биомассы, отражающим статику  системы (количество организмов в данный момент), пирамида энергии отражая картину скоростей прохождения массы пищи (количества энергии) через каждый трофический уровень пищевой цепи, дает наиболее полное представление о функциональной организации сообществ.

На форму этой пирамиды не влияют изменения размеров и интенсивности  метаболизма особей, и если учтены все источники энергии, то пирамида всегда будет иметь типичный вид  с широким основанием и суживающейся верхушкой. При построении пирамиды энергии в ее основание часто  добавляют прямоугольник, показывающий приток солнечной энергии.

Пирамиды энергии позволяют  сравнивать энергетическую значимость популяций внутри экосистемы и иллюстрировать количественные отношения в отдельных, представляющих особый интерес частях экосистем, например, в звеньях жертва-хищник или хозяин-паразит.

В 1942 г. американский эколог Р. Линдеман сформулировал закон пирамиды энергий (закон 10 процентов), согласно которому с одного трофического уровня через пищевые цепи на другой трофический уровень переходит в среднем около 10% поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды энергии. Остальная часть энергии теряется в виде теплового излучения, на движение и т.д. Организмы в результате процессов обмена теряют в каждом звене пищевой цепи около 90% всей энергии, которая расходуется на поддержание их жизнедеятельности.

Если заяц съел 10 кг растительной массы, то его собственная масса  может увеличиться на 1 кг. Лисица или волк, поедая 1 кг зайчатины, увеличивают  свою массу уже только на 100 г. У  древесных растений эта доля много  ниже из-за того, что древесина плохо  усваивается организмами. Для трав и морских водорослей эта величина значительно больше, поскольку у  них отсутствуют трудноусвояемые  ткани. Однако общая закономерность процесса передачи энергии остается: через верхние трофические уровни ее проходит значительно меньше, чем через нижние.

Рассмотрим превращение  энергии в экосистеме на примере  простой пастбищной трофической  цепи, в которой имеется всего  три трофических уровня.

уровень - травянистые растения,

уровень - травоядные млекопитающие, например, зайцы

уровень - хищные млекопитающие, например, лисы

Питательные вещества создаются  в процессе фотосинтеза растениями, которые из неорганических веществ (вода, углекислый газ, минеральные  соли и т.д.) с использованием энергии  солнечного света образуют органические вещества и кислород, а также АТФ. Часть электромагнитной энергии  солнечного излучения при этом переходит  в энергию химических связей синтезируемых  органических веществ.

Все органическое вещество, создаваемое в процессе фотосинтеза  называется валовой первичной продукцией (ВПП). Часть энергии валовой первичной продукции расходуется на дыхание, в результате чего образуется чистая первичная продукция (ЧПП), которая и является тем самым веществом, которое поступает на второй трофический уровень и используется зайцами.

Пусть ВПП составляет 200 условных единиц энергии, а затраты растений на дыхание (R) - 50%, т.е. 100 условных единиц энергии. Тогда чистая первичная  продукция будет равна: ЧПП = ВПП - R (100 = 200 - 100), т.е. на второй трофический  уровень к зайцам поступит 100 условных единиц энергии.

Однако, в силу разных причин зайцы способны потребить лишь некоторую долю ЧПП (в противном случае исчезли бы ресурсы для развития живой материи), существенная же ее часть, в виде отмерших органических остатков (подземные части растений, твердая древесина стеблей, ветвей и т.д.) не способна поедаться зайцами. Она поступает в детритные пищевые цепи и (или) подвергается разложению редуцентами (F). Другая часть идет на построение новых клеток (численность популяции, прирост зайцев - Р) и обеспечение энергетического обмена или дыхания (R).

В этом случае, согласно балансовому  подходу, балансовое равенство расхода  энергии (С) будет выглядеть следующим  образом:   С = Р + R + F, т.е. поступившая на второй трофический уровень энергия будет израсходована, согласно закону Линдемана, на прирост популяции - Р - 10%, остальные 90% будут израсходованы на дыхание и удаление неусвоенной пищи.

Таким образом, в экосистемах  с повышением трофического уровня происходит быстрое уменьшение энергии, накапливаемой  в телах живых организмов. Отсюда ясно почему каждый последующий уровень всегда будет меньше предыдущего и почему цепи питания обычно не могут иметь более 3-5 (редко 6) звеньев, а экологические пирамиды не могут состоять из большого количества этажей: к конечному звену пищевой цепи так же, как и к верхнему этажу экологической пирамиды, будет поступать так мало энергии, что ее не хватит в случае увеличения числа организмов.

Такая последовательность и  соподчиненность связанных в  форме трофических уровней групп  организмов представляет собой потоки вещества и энергии в биогеоценозе, основу его функциональной организации. 

(Рис. 7) –Экологическая пирамида энергии.

 Глава 3. Закономерности трофического оборота в биоценозе.

 Живые организмы для своего существования должны постоянно пополнять и расходовать энергию. В пищевой (трофической) цепи, сети и экологических пирамидах каждый последующий уровень, условно говоря, поедает предыдущее звено, используя его для построения своего тела. Трофоэнергетические связи сообщества растений и животных в виде упрощенной схемы потоков на примере биоценоза Рыбинского водохранилища приведены на рис. 8.

Главный источник энергии  для всего живого на Земле –  Солнце. Из всего спектра солнечного излучения, достигающего земной поверхности, только около 40 % составляет фотосинтетически активная радиация (ФАР), имеющая длину волны 380–710 нм. Растения в процессе фотосинтеза усваивают лишь небольшую часть ФАР. Ниже приведены доли усваиваемой ФАР (в %) для различных экосистем.

(Рис. 8) – Схема потоков энергии в трофической сети биоценоза.

 Схема потоков энергии в трофической сети биоценоза (по Н. В. Бутурину, А. Г. Поддубному): цифры – годичная продукция популяций, кДж/м²

Океан……………………………………до 1,2

Тропические леса…………………………..до 3,4

Плантации сахарного тростника  и кукурузы