Продуценты. Консументы I, II порядка

Продуценты, консументы и редуценты в структуре биологических сообществ

Согласно функциональной классификации живых организмов, их подразделяют на три основные группы:

1. продуцентов,
2. консументов,
3. редуцентов.

Первые продуцируют органические вещества из неорганических, вторые подвергают их различным преобразованиям, миграции, концентрации и т.д., а третьи – разрушают в процессе минерализации до образования простейших неорганических соединений. Рассмотрим роль этих групп организмов в круговороте веществ более подробно.

Продуценты

К группе продуцентов относятся автотрофы (фототрофы – в основном растения, и хемотрофы – преимущественно некоторые бактерии). В наземных экосистемах продуценты являются доминантами по массе, численности (не всегда) и энергетической роли в экосистемах. В водных экосистемах по биомассе они могут и не доминировать, однако по численности и роли в сообществе остаются доминантами.

Результатом деятельности продуцентов в экосистемах является валовая биологическая продукция - суммарная или общая продукция особей, сообществ, экосистем или биосферы в целом, включая расходы на дыхание. Если исключить расход энергии на обеспечение жизнедеятельности самих продуцентов, то остается чистая первичная продукция. На всей территории суши она составляет 110-120 млрд. т сухого вещества, а моря 50-60 млрд. т. Первичная валовая продукция в два раза больше.

Количество валовой (и чистой) первичной продукции экосистем и биосферы в целом определяется проективным покрытием территории продуцентами (максимально – до 100% в лесах, и даже более, поскольку существует ярусность, и одни продуценты находятся под пологом других), и эффективностью фотосинтеза, которая очень низка. Для образования биомассы используется лишь около 1% солнечной энергии, поступившей на поверхность растительного организма, обычно существенно меньше.

Консументы

Пищей для консументов служат продуценты (для консументов первого порядка) или другие консументы (для консументов второго и последующих порядков). Подразделение консументов на порядки иногда встречает определенные трудности, когда, например, состав пищи какого-либо вида включает как растительный корм, так и животный, причем добываемые ими консументы сами могут относиться к разным порядкам. Однако в каждый определенный момент времени любой консумент относится к вполне определенному порядку.

В различных экосистемах на долю консументов приходится разное количество перерабатываемой первичной продукции. Так, в лесных сообществах консументами суммарно потребляется от 1% до 10% чистой первичной продукции растений, редко больше. Остальная органика идет в опад за счет гибели растений и их частей (например, опавшие листья), и частично также потребляется консументами (детритная цепь питания), частично перерабатывается редуцентами. В открытых травянистых сообществах (луга, степи, пастбища) консументами может потребляться до 50% биомассы живых растений (обычно существенно меньше). Близкие показатели характерны для прибрежных сообществ океанов (где продуцентами служат водоросли-макрофиты) и пресноводных экосистем. В пелагических океанических сообществах, основанных на фитопланктоне, консументами выедается до 90% формируемой продуцентами биомассы.

Замечание 1

Ассимилированная продукция консументов - съеденная пища минус органическое вещество экскрементов. В свою очередь чистая продукция консумента любого уровня - это ассимилированная чистая продукция за вычетом расходов на дыхание.

Редуценты

Редуценты (редукторы) – неотъемлемая часть любой экосистемы. Они разрушают высокомолекулярные органические вещества отмерших организмов и используют высвобождающуюся при этом энергию для собственной жизнедеятельности, при этом в биотический круговорот возвращаются минеральные вещества, которые затем вновь используются продуцентами. Как правило, редуценты имеют мелкие размеры. Иногда выделяют группу так называемых макроредуцентов, включая в нее всех относительно крупных потребителей отмершей органики, которые входят в состав детритной пищевой цепи. При таком понимании к редуцентам относят многих беспозвоночных – насекомых, червей и т.д.

Трофическая структура экосистем.

Источник: методичка «Остров» (немного есть в лекции 3).

Ответ:

Автотрофное питание (автономное питание)– синтез органических веществ из неживой природы (углекислого газа и воды) посредством фотосинтеза (фотоавтотрофные организмы) и хемосинтеза (хемоавтотрофы).

К фотоавтотрофам относятся все зеленые растения и некоторые бактерии (примеры автотрофов: мох, деревья, фитопланктон). В процессе жизнедеятельности они синтезируют на свету органические вещества – углеводы или сахара (СН 2 О) n . Главная роль в синтезе органических веществ принадлежит растительным организмам, они полностью отвечают за образование всего нового органического вещества в любой экосистеме. Каждый год фотосинтезирующими организмами на Земле создается около 150 млрд. т органического вещества, аккумулирующего солнечную энергию.

Хемоавтотрофы (обитают в почве и в недрах) используют энергию, выделяющуюся при химических реакциях окисления водорода, серы, сероводорода, аммиака и др., и синтезируют необходимые им органические вещества. К этой группе принадлежат нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой и затем азотной кислот.

Гетеротрофное питание (питающиеся другими) – потребление готового органического вещества. К гетеротрофам относятся все животные, грибы и большая часть бактерий. Гетеротрофы выступают как потребители и разрушители (деструкторы) органических веществ. В зависимости от источников питания и участия в деструкции органических веществ они подразделяются на консументов, детритофагов (сапротрофов), редуцентов.

Консументы – потребители органического вещества живых организмов. Консументы – это самые разнообразные организмы: от бактерий до слонов. К ним относятся простейшие, черви, рыбы, моллюски, членистоногие, птицы, млекопитающие, в том числе и человек. Консументы делятся на ряд подгрупп в соответствии с различиями в источниках питания.

Деятельность консументов способствует превращениям и перемещениям органических веществ в экосистемах, частичной их минерализации, а также рассеянию энергии, накопленной продуцентами.

К консументам относятся и симбиотрофы (бактерии и грибы), которые питаются корневыми выделениями растений. Симбиотрофы играют значительную роль в функционировании экосистем. Нити грибов, опутывающие корни растений, помогают всасыванию воды и минеральных веществ. Бактерии-симбиотрофы усваивают из атмосферы азот и превращают его в доступные для растений соединения (аммиак, нитраты). Этот азот называется биологическим. К симбиотрофам относятся бактерии, одноклеточные организмы, обитающие в кишечнике человека и животных-фитофагов, они помогают переваривать им пищу.

Детритофаги (сапротрофы) – организмы, питающиеся мертвым органическим веществом – остатками растений и животных (детритом). Это различные гнилостные бактерии, грибы, черви, многоножки, личинки мух, раки, крабы, шакалы и другие животные – все они выполняют функцию очищения экосистем. Детритофаги – тоже консументы.

Некоторые организмы используют в пищу как растения, так и животных и даже детрит, они относятся к эврифагам (всеядным) – медведь, лиса, свинья, крыса, курица, ворона, таракан и др.

Редуценты – бактерии и низшие грибы – завершают деструктивную работу детритофагов, доводят разложение органического вещества до неорганических соединений (минеральных) – углекислого газа, воды и др. Они возвращают в экологическую систему минеральные вещества, возвращают вещества в круговорот, превращая их в формы, доступные для продуцентов (автотрофов). Роль редуцентов в круговороте веществ чрезвычайно велика. Без редуцентов в биосфере накапливались бы груды органических остатков; иссякли бы запасы минеральных веществ, необходимых продуцентам, и жизнь в той форме, которую мы знаем прекратилась бы.

В любой экосистеме все детритофаги и редуценты выполняют одну и ту же функцию – питаются мертвым органическим веществом, разлагают его и в итоге превращают его в неорганические вещества, которые служат исходным сырьем для питания продуцентов. Детритофаги и редуценты по типу питания выделяются в особую группу организмов – сапрофаги (питаются мертвыми органическими остатками).

Все названные группы организмов в любой экосистеме тесно взаимодействуют между собой, согласуя потоки вещества и энергии. Их совместное функционирование не только поддерживает структуру и целостность экосистемы, но и оказывает существенное влияние на абиотические компоненты системы, способствуя ее очищению.

В водных экосистемах главными продуцентами являются водоросли – часто мелкие одноклеточные организмы, составляющие фитопланктон поверхностных слоев океанов и озер. На суше большую часть первичной продукции поставляют более высокоорганизованные формы, относящиеся к голосеменным и покрытосеменным. Они формируют леса и луга.

4.2. Первичные консументы

Первичные консументы питаются первичными продуцентами, т. е. это травоядные животные. На суше типичными травоядными являются многие насекомые, рептилии, птицы и млекопитающие. Наиболее важные группы травоядных млекопитающих – это грызуны и копытные. К последним относятся пастбищные животные, такие, как лошади, овцы, крупный рогатый скот, приспособленные к бегу на кончиках пальцев.

В водных экосистемах (пресноводных и морских) травоядные формы представлены обычно моллюсками и мелкими ракообразными. Большинство этих организмов – ветвистоусые и веслоногие раки, личинки крабов, усоногие раки и двустворчатые моллюски (например, мидии и устрицы) – питаются, отфильтровывая мельчайших первичных продуцентов из воды. Вместе с простейшими многие из них составляют основную часть зоопланктона, питающегося фитопланктоном. Жизнь в океанах и озерах практически полностью зависит от планктона, так как с него начинаются почти все пищевые цепи.

4.3. Консументы второго и третьего порядка

Растительный материал (например, нектар) → муха → паук →

→ землеройка → сова

Сок розового куста → тля → божья коровка → паук → насекомоядная птица → хищная птица

4.4. Редуценты и детритофаги (детритные пищевые цепи)

Существуют два главных типа пищевых цепей – пастбищные и детритные. Выше были приведены примеры пастбищных цепей, в которых первый трофический уровень занимают зеленые растения, второй – пастбищные животные и третий – хищники. Тела погибших растений и животных еще содержат энергию и «строительный материал», так же как и прижизненные выделения, например, моча и фекалии. Эти органические материалы разлагаются микроорганизмами, а именно грибами и бактериями, живущими как сапрофиты на органических остатках. Такие организмы называются редуцентами. Они выделяют пищеварительные ферменты на мертвые тела или отходы жизнедеятельности и поглощают продукты их переваривания. Скорость разложения может быть различной. Органические вещества мочи, фекалий и трупов животных потребляются за несколько недель, тогда как упавшие деревья и ветви могут разлагаться многие годы. Очень существенную роль в разложении древесины (и других растительных остатков) играют грибы, которые выделяют фермент целлюлазу, размягчающий древесину, и это дает возможность мелким животным проникать внутрь и поглощать размягченный материал.

Кусочки частично разложившегося материала называют детритом, и многие мелкие животные (детритофаги) питаются им, ускоряя процесс разложения. Поскольку в этом процессе участвуют как истинные редуценты (грибы и бактерии), так и детритофаги (животные), и тех и других иногда называют редуцентами, хотя в действительности этот термин относится только к сапрофитным организмам.

Детритофагами могут в свою очередь питаться более крупные организмы, и тогда создается пищевая цепь другого типа – цепь, цепь, начинающаяся с детрита:

Детрит → детритофаг → хищник

К детритофагам лесных и прибрежных сообществ относятся дождевой червь, мокрица, личинка падальной мухи (лес), полихета, багрянка, голотурия (прибрежная зона).

Приведем две типичные детритные пищевые цепи наших лесов:

Листовая подстилка → Дождевой червь → Черный дрозд → Ястреб-перепелятник

Мертвое животное → Личинки падальных мух → Травяная лягушка → Обыкновенный уж

Некоторые типичные детритофаги - это дождевые черви, мокрицы, двупарноногие и более мелкие (<0,5 мм) животные, такие, как клещи, ногохвостки, нематоды и черви-энхитреиды.

5. Пищевые сети

В схемах пищевых цепей каждый организм бывает представлен как питающийся другими организмами какого-то одного типа. Однако реальные пищевые связи в экосистеме намного сложнее, т. к. животное может питаться организмами разных типов из одной и той же пищевой цепи или даже из разных пищевых цепей. Это в особенности относится к хищникам верхних трофических уровней. Некоторые животные питаются как другими животными, так и растениями; их называют всеядными (таков, в частности, и человек). В действительности пищевые цепи переплетаются таким образом, что образуется пищевая (трофическая) сеть. В схеме пищевой сети могут быть показаны только некоторые из многих возможных связей, и она обычно включает лишь одного или двух хищников каждого из верхних трофических уровней. Такие схемы иллюстрируют пищевые связи между организмами в экосистеме и служат основой для количественного изучения экологических пирамид и продуктивности экосистем.

6. Экологические пирамиды.

6.1. Пирамиды численности.

Для изучения взаимоотношений между организмами в экосистеме и для графического представления этих взаимоотношений удобнее использовать не схемы пищевых сетей, а экологические пирамиды. При этом сначала подсчитывают число различных организмов на данной территории, сгруппировав их по трофическим уровням. После таких подсчетов становится очевидным, что численность животных прогрессивно уменьшается при переходе от второго трофического уровня к последующим. Численность растений первого трофического уровня тоже нередко превосходит численность животных, составляющих второй уровень. Это можно отобразить в виде пирамиды численности.

Для удобства количество организмов на данном трофическом уровне может быть представлено в виде прямоугольника, длина (или площадь) которого пропорциональна числу организмов, обитающих на данной площади (или в данном объеме, если это водная экосистема). На рисунке показана пирамида численности, отображающая реальную ситуацию в природе. Хищники, расположенные на высшем трофическом уровне, называются конечными хищниками.

Четвертый трофический уровень Третичные консументы

Растительный материал (например, нектар) → муха → паук → землеройка → сова

Сок розового куста → тля → божья коровка → паук → насекомоядная птица → хищная птица

Редуценты и детритофаги (детритные пищевые цепи)

Существуют два главных типа пищевых цепей – пастбищные и детритные. Выше были приведены примеры пастбищных цепей, в которых первый трофический уровень занимают зеленые растения, второй – пастбищные животные и третий – хищники. Тела погибших растений и животных еще содержат энергию и «строительный материал», так же как и прижизненные выделения, например, моча и фекалии. Эти органические материалы разлагаются микроорганизмами, а именно грибами и бактериями, живущими как сапрофиты на органических остатках. Такие организмы называютсяредуцентами . Они выделяют пищеварительные ферменты на мертвые тела или отходы жизнедеятельности и поглощают продукты их переваривания. Скорость разложения может быть различной. Органические вещества мочи, фекалий и трупов животных потребляются за несколько недель, тогда как упавшие деревья и ветви могут разлагаться многие годы. Очень существенную роль в разложении древесины (и других растительных остатков) играют грибы, которые выделяют фермент целлюлозу, размягчающий древесину, и это дает возможность мелким животным проникать внутрь и поглощать размягченный материал.

Кусочки частично разложившегося материала называют детритом, и многие мелкие животные (детритофаги) питаются им, ускоряя процесс разложения. Поскольку в этом процессе участвуют как истинные редуценты (грибы и бактерии), так и детритофаги (животные), и тех и других иногда называют редуцентами, хотя в действительности этот термин относится только к сапрофитным организмам.

Детритофагами могут в свою очередь питаться более крупные организмы, и тогда создается пищевая цепь другого типа – цепь, начинающаяся с детрита:

Детрит → детритофаг → хищник

К детритофагам лесных и прибрежных сообществ относятся дождевой червь, мокрица, личинка падальной мухи (лес), полихета, багрянка, голотурия (прибрежная зона).

Приведем две типичные детритные пищевые цепи наших лесов:

Листовая подстилка → Дождевой червь → Черный дрозд → Ястреб-перепелятник

Мертвое животное → Личинки падальных мух → Травяная лягушка → Обыкновенный уж

Некоторые типичные детритофаги - это дождевые черви, мокрицы, двупарноногие и более мелкие (<0,5 мм) животные, такие, как клещи, ногохвостки, нематоды и черви-энхитреиды.

Пищевые сети

В схемах пищевых цепей каждый организм бывает представлен как питающийся другими организмами какого-то одного типа. Однако реальные пищевые связи в экосистеме намного сложнее, т. к. животное может питаться организмами разных типов из одной и той же пищевой цепи или даже из разных пищевых цепей. Это в особенности относится к хищникам верхних трофических уровней. Некоторые животные питаются как другими животными, так и растениями; их называют всеядными (таков, в частности, и человек). В действительности пищевые цепи переплетаются таким образом, что образуется пищевая (трофическая) сеть. В схеме пищевой сети могут быть показаны только некоторые из многих возможных связей, и она обычно включает лишь одного или двух хищников каждого из верхних трофических уровней. Такие схемы иллюстрируют пищевые связи между организмами в экосистеме и служат основой для количественного изучения экологических пирамид и продуктивности экосистем.

Экологические пирамиды.

Пирамиды численности.

Для изучения взаимоотношений между организмами в экосистеме и для графического представления этих взаимоотношений удобнее использовать не схемы пищевых сетей, а экологические пирамиды . При этом сначала подсчитывают число различных организмов на данной территории, сгруппировав их по трофическим уровням. После таких подсчетов становится очевидным, что численность животных прогрессивно уменьшается при переходе от второго трофического уровня к последующим. Численность растений первого трофического уровня тоже нередко превосходит численность животных, составляющих второй уровень. Это можно отобразить в виде пирамиды численности.

Для удобства количество организмов на данном трофическом уровне может быть представлено в виде прямоугольника, длина (или площадь) которого пропорциональна числу организмов, обитающих на данной площади (или в данном объеме, если это водная экосистема). На рисунке показана пирамида численности, отображающая реальную ситуацию в природе. Хищники, расположенные на высшем трофическом уровне, называются конечными хищниками.

Четвертый трофический уровень Третичные консументы

Третий трофический уровень Вторичные консументы

Второй трофический уровень Первичные консументы

Первый трофический Первичные продуценты

уровень

Пирамиды биомассы.

Неудобств, связанных с использованием пирамид численности, можно избежать путем построения пирамид биомассы , в которых учитывается суммарная масса организмов (биомассы) каждого трофического уровня. Определение биомассы включает не только учет численности, но и взвешивание отдельных особей, так что это более трудоемкий процесс, требующий больше времени и специального оборудования. Таким образом, прямоугольники в пирамидах биомассы отображают массу организмов каждого трофического уровня, отнесенную к единице площади или объема.

При отборе образцов - иными словами, в данный момент времени - всегда определяется так называемая биомасса на корню, или урожай на корню. Важно понимать, что эта величина не содержит никакой информации о скорости образования биомассы (продуктивности) или ее потребления; иначе могут возникнуть ошибки по двум причинам:

1. Если скорость потребления биомассы (потеря вследствие поедания) примерно соответствует скорости ее образования, то урожай на корню не обязательно свидетельствует о продуктивности, т.е. о количестве энергии и вещества, переходящих с одного трофического уровня на другой за данный период времени, например за год. Например, на плодородном, интенсивно используемом пастбище урожай трав на корню может быть ниже, а продуктивность выше, чем на менее плодородном, но мало используемом для выпаса.

2. Продуцентом небольших размеров, таким, как водоросли, свойственна высокая скорость возобновления, т.е. высокая скорость роста и размножения, уравновешенная интенсивным потреблением их в пищу другими организмами и естественной гибелью. Таким образом, хотя биомасса на корню может быть малой по сравнению с крупными продуцентами (например, деревьями), продуктивность может быть не меньшей, так как деревья накапливают биомассу в течение длительного времени. Иными словами, фитопланктон с такой же продуктивностью, как у дерева, будет иметь намного меньшую биомассу, хотя он мог бы поддержать жизнь такой же массы животных. Вообще популяции крупных и долговечных растений и животных обладают меньшей скоростью обновления по сравнению с мелкими и короткоживущими и аккумулируют вещество и энергию в течение более длительного времени. Зоопланктон обладает большей биомассой, чем фитопланктон, которым он питается. Это характерно для планктонных сообществ озер и морей в определенное время года; биомасса фитопланктона превышает биомассу зоопланктона во время весеннего «цветения», но в другие периоды возможно обратное соотношение. Подобных кажущихся аномалий можно избежать, применяя пирамиды энергии.

По участию в биогенном круговороте веществ в биоценозах различают три группы организмов:

1) Продуценты (производители) - автотрофные организмы, создающие органические вещества из неорганических. Основными продуцентами во всех биоценозах являются зеленые растения. Деятельность продуцентов определяет исходное накопление органических веществ в биоценозе;

Консументы I порядка .

Этот трофический уровень составлен непосредственными потребителями первичной продукции. В наиболее типичных случаях, когда последняя создается фотоавтотрофами, это растительноядные животные (фитофаги). Виды и эколо­гические формы, представляющие этот уровень, весьма разнообразны и приспособлены к питанию разными видами растительного корма. В связи с тем, что растения обычно прикреплены к субстрату, а ткани их часто очень прочны, у многих фитофагов эволюционно сформиро­вался грызущий тип ротового аппарата и различного рода приспособ­ления к измельчению, перетиранию пищи. Это зубные системы грызущего и перетирающего типа у различных растительноядных млекопитающих, мускульный желудок птиц, особенно хорошо выра­женный у зерноядных, и.т. п. Сочетание этих структур определяет возможность перемалыва­ния твердой пищи. Грызущий ротовой аппарат свойствен многим насекомым и др.

Некоторые животные приспособлены к питанию соком растений или нектаром цветков. Эта пища богата высококалорийными, легко­усвояемыми веществами. Ротовой аппарат у питающихся таким обра­зом видов устроен в виде трубочки, с помощью которой всасывается жидкая пища.

Приспособления к питанию растениями обнаруживаются и на физиологическом уровне. Особенно выражены они у животных, пита­ющихся грубыми тканями вегетативных частей растений, содержащи­ми большое количество клетчатки. В организме большинства животных не продуцируются целлюлозолитические ферменты, а расщепление клетчатки осуществляется симбиотическими бактериями (и некоторы­ми простейшими кишечного тракта).

Консументы частично используют пищу для обеспечения жизнен­ных процессов («затраты на дыхание»), а частично строят на ее основе собственное тело, осуществляя таким образом первый, принципиаль­ный этап трансформации органического вещества, синтезированного продуцентами. Процесс создания и накопления биомассы на уровне консументов обозначается как, вторичная продукция.

Консументы II порядка .

Этот уровень объединяет животных с плотоядным типом питания (зоофаги). Обычно в этой группе рассматривают всех хищников, поскольку их специфические черты практически не зависят от того, является ли жертва фитофагом, или плотоядна. Но строго говоря, консументами II порядка следует считать только хищников, питающихся растительноядными животны­ми и соответственно представляющих второй этап трансформации органического вещества в цепях питания. Химические вещества, из которых строятся ткани животного организма, довольно однородны, поэтому трансформация при переходе с одного уровня консументов на другой не имеет столь принципиального характера, как преобразо­вание растительных тканей в животные.

При более тщательном подходе уровень консументов II порядка следует разделять на подуровни соответственно направлению потока вещества и энергии. Например, в трофической цепи «злаки - кузне­чики - лягушки - змеи - орлы» лягушки, змеи и орлы составляют последовательные подуровни консументов II порядка.