6.1.1.4: Харчові ланцюги та харчові мережі

Last updated
Save as PDF

Page ID: 3688

Melissa Ha and Rachel Schleiger
Yuba College & Butte College via ASCCC Open Educational Resources Initiative

$ \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } $ $ \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} $$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Трофічні взаємодії в спільноті можуть бути представлені діаграмами, які називаються харчовими ланцюгами та харчовими мережами. Перш ніж детально обговорювати ці уявлення, ми повинні спочатку переглянути основи енергетики. Енергія протікає через співтовариство в результаті трофічних взаємодій.

Енергетика

Практично кожне завдання, яке виконують живі організми, вимагає енергії. Взагалі енергія визначається як здатність робити роботу, або створювати якісь зміни. Енергія існує в різних формах. Приклади включають світлову енергію, кінетичну енергію, теплову енергію, потенційну енергію та хімічну енергію.

Коли об'єкт знаходиться в русі, є енергія, пов'язана з цим об'єктом. Подумайте про кулю, що руйнує. Навіть повільно рухається шкідництво м'яч може завдати великої шкоди іншим об'єктам. Енергія, пов'язана з об'єктами в русі, називається кінетичною енергією. Теплова енергія - це енергія руху в речовині (все, що займає простір і має масу) і вважається різновидом кінетичної енергії. Чим тепліше речовина, тим швидше рухаються його молекули. Швидкий рух молекул у повітрі, куля, що перевищує швидкість, і ходьба людина - все це мають кінетичну енергію. Що робити, якщо той самий нерухомий шкідницький куля піднятий на два поверхи над землею за допомогою крана? Якщо підвішений шкідницький куля не рухається, чи є з ним пов'язана енергія? Відповідь - так. Енергія, яка була потрібна для підняття руйнуючого кулі, не зникла, а тепер зберігається в шкіднику м'яч в силу його положення і сили тяжіння, що діє на нього. Цей вид енергії називається потенційною енергією. Якби м'яч впав, потенційна енергія трансформувалася б в кінетичну енергію, поки вся потенційна енергія не буде вичерпана, коли м'яч спирався на землю. Шкідливі кулі також розгойдуються, як маятник; через гойдалки відбувається постійна зміна потенційної енергії (найвища у верхній частині гойдалки) на кінетичну енергію (найвища в нижній частині гойдалки). Інші приклади потенційної енергії включають енергію води, що проводиться за греблі або людина збирається стрибати з парашутом з літака (малюнок$\PageIndex{a}$).

Потенційна енергія пов'язана не тільки з розташуванням речовини, але і з будовою речовини. Хімічна енергія є прикладом потенційної енергії, яка зберігається в молекулах. Коли молекули, які мають вищу енергію і менш стабільно реагують на утворення продуктів, які мають меншу енергію і більш стабільні, ця накопичена енергія вивільняється. Хімічна енергія відповідає за забезпечення живих клітин енергією з їжі.

Щоб оцінити спосіб надходження енергії в біологічні системи та з них, важливо зрозуміти два фізичні закони, які керують енергією. Перший закон термодинаміки стверджує, що загальна кількість енергії у Всесвіті постійна і збережена. Іншими словами, завжди було і буде, точно така ж кількість енергії у Всесвіті. Енергія існує в самих різних формах. Згідно з першим законом термодинаміки, енергія може передаватися з місця на місце або трансформуватися в різні форми, але вона не може бути створена або знищена. Перенесення і перетворення енергії відбуваються навколо нас весь час. Лампочки перетворюють електричну енергію в світлову і теплову енергію. Газові плити перетворюють хімічну енергію з природного газу в теплову енергію. Рослини виконують одне з найбільш біологічно корисних енергетичних перетворень на землі: перетворення енергії сонячного світла в хімічну енергію, що зберігається в біологічних молекулах, таких як цукри (малюнок$\PageIndex{b}$).

Конус морозива (вгорі ліворуч), хлопчики на велосипедах (внизу зліва), сонце (вгорі праворуч) та лист (внизу праворуч). — Малюнок$\PageIndex{b}$: Показані деякі приклади енергії, що передається і трансформується з однієї системи в іншу і з однієї форми в іншу. Їжа, яку ми споживаємо, представлена конусом морозива, забезпечує наші клітини хімічною енергією, необхідною для виконання тілесних функцій. Це може бути перетворено в кінетичну енергію (енергію руху), яка була б потрібна для їзди на велосипеді. Листя проводять фотосинтез, перетворюючи світлову енергію від сонця в хімічну. (Кредит «морозиво»: модифікація роботи Д.Шарона Пруітта; кредит «діти»: модифікація роботи Макса з Провіденсу; кредит «лист»: модифікація роботи Корі Занкера)

Завдання для всіх живих організмів полягає в отриманні енергії з оточення у формах, придатних для виконання клітинної роботи. Основні завдання живої клітини з отримання, перетворення та використання енергії для роботи можуть здатися простими. Однак другий закон термодинаміки пояснює, чому ці завдання важче, ніж вони здаються. Всі передачі та перетворення енергії ніколи не бувають повністю ефективними. При кожній передачі енергії деяка кількість енергії втрачається в непридатному для використання вигляді. У більшості випадків такою формою є теплова енергія. Наприклад, при включенні лампочки частина енергії, що перетворюється з електричної енергії в світлову, втрачається у вигляді теплової енергії. Так само деяка енергія втрачається як теплова енергія під час метаболічних реакцій, що відбуваються в організмах.

Поняття порядку і розладу відноситься до другого закону термодинаміки. Чим більше енергії, яка втрачається системою до свого оточення, тим менш впорядкована і більш випадкова система. Вчені називають міру випадковості або розладу всередині системи як ентропію. Висока ентропія означає високий розлад і низьку енергію. Живі істоти високо впорядковані, що вимагає постійного споживання енергії для підтримки в стані низької ентропії.

Потік енергії

Клітини працюють на хімічній енергії, що знаходиться в основному в молекулах вуглеводів, і більшість цих молекул виробляються одним процесом: фотосинтезом. За допомогою фотосинтезу певні організми перетворюють сонячну енергію (сонячне світло) в хімічну енергію, яка потім використовується для побудови молекул вуглеводів (малюнок$\PageIndex{c}$). Енергія, яка задіюється від фотосинтезу, надходить в спільноти безперервно і передається від одного організму до іншого. Тому прямо чи опосередковано процес фотосинтезу забезпечує більшу частину енергії, необхідної живим істотам на Землі. Див. Цикл вуглецю та фотосинтез у концепціях біології OpenStax для отримання більш докладної інформації про фотосинтез.

Дерево зі стрілками, що представляють входи і виходи фотосинтезу — Малюнок$\PageIndex{c}$: Фотосинтез використовує сонячну енергію, вуглекислий газ та воду для виділення кисню та отримання молекул цукру, що накопичують енергію. Зображення та підпис OpenStax (CC-BY). Доступ безкоштовно на openstax.org.

Організми, які проводять фотосинтез (такі як рослини, водорості та деякі бактерії), і організми, що синтезують цукру за допомогою інших засобів, називаються продуцентами. Без цих організмів енергія була б недоступна іншим живим організмам, і життя було б неможливим. Споживачі, як тварини, гриби, різні мікроорганізми залежать від виробників, прямо або опосередковано. Наприклад, олень отримує енергію, поїдаючи рослини. Вовк, що їсть оленя, отримує енергію, яка спочатку походить від рослин, з'їдених цим оленем (фігура$\PageIndex{d}$). Використовуючи ці міркування, всю їжу, з'їдену людиною, можна простежити до виробників, які здійснюють фотосинтез (малюнок$\PageIndex{e}$).

Блок-схема, що демонструє передачу енергії від сонця до виробників споживачам. Виробники та споживачі передають енергію розкладачам. — Малюнок$\PageIndex{e}$: Зрештою, більшість форм життя отримують свою енергію від сонця. Ця блок-схема показує енергію сонця, яку захоплюють виробники, такі як рослини, за допомогою фотосинтезу. Енергія передається споживачам виробників, таким як тварини. Енергію можна отримати від виробників безпосередньо (травоїдні поїдають рослини) або опосередковано (м'ясоїдні харчуються травоїдними тваринами). Розкладачі з часом розщеплюють мертві організми, включаючи рослинний і тваринний матеріал, і сприяють створенню басейну поживних речовин. Грибки і бактерії є розкладачами, а глисти - згубними (не показані). Під час кожної передачі енергії частина енергії в системі втрачається у вигляді тепла.

Споживачів можна класифікувати виходячи з того, харчуються вони тваринним або рослинним матеріалом (малюнок$\PageIndex{f}$). Споживачі, які харчуються виключно тваринами, називаються м'ясоїдними. Леви, тигри, змії, акули, морські зірки, павуки та сонечка - все це м'ясоїдні тварини. Травоїдні - споживачі, які харчуються виключно рослинною сировиною, і прикладами є олені, коали, деякі види птахів, цвіркуни та гусениці. Травоїдних можна додатково класифікувати на фруктоїдних (плодоїдів), граніїдних (пожирачів насіння), нектіїдних (нектарових годівниць) та листяних (листоїди). Споживачі, які харчуються як рослинним, так і тваринним матеріалом, вважаються всеїдними. Люди, ведмеді, кури, таргани, раки - приклади всеїдних.

Колаж з лева, сонечко, мула оленя, ведмедя і раків — Малюнок$\PageIndex{f}$: М'ясоїдні тварини, як лев (вгорі ліворуч), їдять переважно м'ясо. Сонечко (внизу зліва) також є хижаком, який споживає дрібних комах, званих попелиць. Травоїдні тварини, як і олень мулів (середній), харчуються переважно рослинним матеріалом. Всеїдні, як ведмідь (вгорі праворуч) і раки (внизу праворуч), їдять як рослинну, так і тваринну їжу. Лев Кевін Плук; сонечко Джон Салліван; олень мула Білла Еббесена; ведмідь Дейва Менке; раки Джона Саллівана. Все від OpenStax (CC-BY). Доступ безкоштовно на openstax.org.

Мертвих виробників і споживачів їдять згубні (які поглинають мертві тканини) і розкладачі (які додатково розщеплюють ці тканини на прості молекули, виділяючи травні ферменти). Безхребетні тварини, такі як черви та багатоніжки, є прикладами згубних, тоді як гриби та певні бактерії є прикладами розкладання.

Харчові ланцюги

Харчовий ланцюг - це лінійна послідовність організмів, через які проходять поживні речовини та енергія, коли один організм їсть інший. Кожен організм в харчовому ланцюжку займає певний трофічний рівень (енергетичний рівень), своє положення в харчовому ланцюзі. Перший трофічний рівень в харчовому ланцюжку - виробники. Первинними споживачами (травоїдними, які харчуються виробниками) є другий трофічний рівень. Далі йдуть споживачі вищого рівня. Споживачі вищого рівня включають вторинних споживачів (третій трофічний рівень), які зазвичай є м'ясоїдними тваринами, які їдять первинних споживачів, та третинні споживачі (четвертий трофічний рівень), які є м'ясоїдними тваринами, які їдять інших м'ясоїдних тварин. У харчовому ланцюзі озера Онтаріо, показаному на малюнку$\PageIndex{g}$, лосось Чинук є вершиною споживача на вершині цього харчового ланцюга. Деякі громади мають додаткові трофічні рівні (четвертинні споживачі, споживачі п'ятого порядку тощо). Нарешті, згубні та розкладачі руйнують мертві та гниючі організми з будь-якого трофічного рівня. Існує єдиний шлях через харчовий ланцюг.

Цей харчовий ланцюг ілюструє трофічні рівні в озері Онтаріо, від виробника до третинного споживача. — Малюнок$\PageIndex{g}$: Це трофічні рівні харчового ланцюга в озері Онтаріо на кордоні США та Канади. Енергія та поживні речовини надходять від фотосинтетичних зелених водоростей (продуцентів) біля основи до первинних споживачів, якими є молюски, або равлики. Вторинними споживачами є дрібна риба під назвою слизистий скальпін. Третинним і верхівковим споживачем є лосось Чинук. Детритивоїдні і розкладачі не показані. (кредит: модифікація роботи Національної адміністрації океанічних та атмосферних середовища/NOAA)

Одним з основних факторів, що обмежує кількість кроків у харчовому ланцюзі, є енергія. Лише близько 10% енергії в одному трофічному рівні переноситься на наступний трофічний рівень. Це пов'язано з тим, що багато енергії втрачається у вигляді тепла під час передачі між трофічними рівнями або до розкладників через другий закон термодинаміки. Таким чином, після чотирьох-шести трофічних передач енергії кількість енергії, що залишається в харчовому ланцюгу, може бути недостатньо великою для підтримки життєздатних популяцій на більш високих трофічних рівнях (також див. Продуктивність громади та ефективність передачі).

Деякі токсини навколишнього середовища можуть стати більш концентрованими, коли вони рухаються вгору по харчовому ланцюгу, причому найвищі концентрації відбуваються у провідних споживачів, процес, який називається біомагніфікація. По суті, верхній споживач поглинає всі токсини, які раніше накопичилися в тілах організмів на нижчих трофічних рівнях. Це пояснює, чому часто вживання певної риби, наприклад тунця або риби-меча, збільшує ваш вплив ртуті, токсичного важкого металу.

Харчова павутина

Хоча харчові ланцюги прості та легкі для аналізу, існує одна проблема при використанні харчових ланцюгів для опису більшості громад. Навіть коли всі організми згруповані у відповідні трофічні рівні, деякі з цих організмів можуть харчуватися на більш ніж одному трофічному рівні. Крім того, види харчуються і вживаються в їжу не одним видом. Іншими словами, лінійна модель трофічних взаємодій, харчовий ланцюг, є гіпотетичним і надмірно спрощеним представленням структури громади. Цілісна модель, яка включає всі взаємодії між різними видами та їх складні взаємопов'язані відносини між собою та з навколишнім середовищем, є більш точною та описовою моделлю. Харчова павутина - це поняття, яке враховує множинні трофічні взаємодії між кожним видом (малюнок$\PageIndex{h}$ і i).

Ця харчова павутина показує кілька стрілок, що йдуть і від споживачів, вказуючи на те, що кожен їсть або з'їдається кількома видами. — Малюнок$\PageIndex{i}$: У цій харчовій павутині кожен організм може мати кілька джерел їжі або бути з'їденим кількома видами. Фітопланктон є первинними виробниками. Їх споживають піщані ланки, криль і зоопланктон. Піщані ланчі споживають пуфіни, кіттівейк та головоногі. Криль споживається піском, головоногими, ауклетами та лососем. Зоопланктон споживається піском, крилем, ауклетами та лососем. Пуфін їдять щури і чайки. Кіттіваки їдять щури, лисиці, чайки. Головоногі вживаються пуфинами і чайками. Ауклети вживають чайки і лисиці. Лосось вживають головоногі і чайки. Щури поїдають лисиці і чайки. Чайки поїдають лисиці. Детритивоїдні і розкладачі не показані. Зображення Маріани Руїс Вільярреал (LadyOfHats) для Фонду CK-12 (CC-BY-NC).

Трофічний рівень кожного виду в харчовій павутині не обов'язково є цілим числом. На малюнку$\PageIndex{i}$ фітопланктон є первинними продуцентами (трофічний рівень 1). Зоопланктон харчується лише фітопланктоном, роблячи їх первинними споживачами (трофічний рівень 2). Визначення трофічного рівня інших видів є більш складним. Наприклад, криль харчується як фітопланктоном, так і зоопланктоном. Якби криль їв лише фітопланктон, вони б первинні споживачі (трофічний рівень 2). Якби вони харчувалися лише зоопланктоном, вони були б вторинними споживачами (трофічний рівень 3). Так як, криль споживають обидва, їх трофічний рівень дорівнює 2,5.

Продуктивність громади та ефективність трансферу

Швидкість, з якою виробники фотосинтезу включають енергію від сонця, називається валовою первинною продуктивністю. У рогозовому болоті рослини захоплюють лише 2,2% енергії від сонця, яке їх досягає. Три відсотки енергії відбиваються, а ще 94,8% використовується для нагрівання та випаровування води всередині та навколо рослини. Однак не вся енергія, включена виробниками, доступна іншим організмам у харчовій павутині, оскільки виробники також повинні рости та розмножуватися, що споживає енергію. Принаймні половина з 2,2%, захоплених рогозом болотних рослин, використовується для задоволення власних енергетичних потреб рослин.

Чиста первинна продуктивність - це енергія, яка залишається у виробників після обліку метаболічних потреб виробників і тепловтрат. Потім чиста продуктивність доступна первинним споживачам на наступному трофічному рівні. Одним із способів вимірювання чистої первинної продуктивності є збір та зважування рослинного матеріалу, виробленого на м ² (близько 10,7 футів ²) землі протягом заданого інтервалу. Один грам рослинної сировини (наприклад, стебел і листя), який в значній мірі є вуглеводною клітковиною, дає близько 4,25 ккал енергії при спалюванні. Чиста первинна продуктивність може коливатися від 500 ккал/м ^2/рік в пустелі до 15,000 ккал/м ^2/рік в тропічному тропічному лісі.

У водному співтоваристві в Сільвер-Спрінгс, штат Флорида, валова первинна продуктивність (загальна енергія, накопичена первинними виробниками) становила 20,810 ккал/м ² /рік (рис.$\PageIndex{j}$). Чиста первинна продуктивність (енергія, доступна споживачам) становила лише 7,632 ккал/м ² /рік після обліку енергії, втраченої, оскільки тепло та енергія необхідні для задоволення метаболічних потреб виробника.

Малюнок$\PageIndex{j}$: Потік енергії через весняну екосистему в Сільвер-Спрінгс, штат Флорида. Валова продуктивність (синій колір) для кожного трофічного рівня вказана трохи вище чистої продуктивності (червоний колір). Зверніть увагу, що енергія зменшується з кожним збільшенням трофічного рівня. Енергетичність первинних виробників (валова продуктивність) становить 20,810 ккал/м ² /рік. Валова продуктивність первинних споживачів значно менше, близько 3 368 ккал/м ² /рік. Валова продуктивність вторинних споживачів становить 383 ккал/м ² /рік, а валова продуктивність третинних споживачів - всього 21 ккал/м ² /рік. Чиста продуктивність кожного трофічного рівня менше, ніж валова продуктивність, оскільки деяка енергія використовується для задоволення метаболічних потреб (дихання), а частина енергії втрачається у вигляді тепла. Наприклад, чиста продуктивність первинних споживачів склала 1 103 ккал/м ² /рік, що становить лише близько третини валової продуктивності. Частина енергії на кожному трофічному рівні (загалом 5,060 ккал/м ² /рік) передається розкладачам. Вся енергія, спочатку захоплена первинними виробниками (20,810 ккал/м ^2/рік), врешті-решт вивільняється з системи.

Блок-схема валової та чистої продуктивності кожного трофічного рівня. Кількість енергії, доступної для використання, зменшується з кожним трофічним рівнем. — Малюнок$\PageIndex{j}$: Потік енергії через весняну екосистему в Сільвер-Спрінгс, штат Флорида. Валова продуктивність (синій колір) для кожного трофічного рівня вказана трохи вище чистої продуктивності (червоний колір). Зверніть увагу, що енергія зменшується з кожним збільшенням трофічного рівня. Енергетичність первинних виробників (валова продуктивність) становить 20,810 ккал/м ² /рік. Валова продуктивність первинних споживачів значно менше, близько 3 368 ккал/м ² /рік. Валова продуктивність вторинних споживачів становить 383 ккал/м ² /рік, а валова продуктивність третинних споживачів - всього 21 ккал/м ² /рік. Чиста продуктивність кожного трофічного рівня менше, ніж валова продуктивність, оскільки деяка енергія використовується для задоволення метаболічних потреб (дихання), а частина енергії втрачається у вигляді тепла. Наприклад, чиста продуктивність первинних споживачів склала 1 103 ккал/м ² /рік, що становить лише близько третини валової продуктивності. Частина енергії на кожному трофічному рівні (загалом 5,060 ккал/м ² /рік) передається розкладачам. Вся енергія, спочатку захоплена первинними виробниками (20,810 ккал/м ^2/рік), врешті-решт вивільняється з системи.

Лише частина енергії, захопленої одним трофічним рівнем, засвоюється в біомасу, що робить її доступною до наступного трофічного рівня. Асиміляція - це біомаса теперішнього трофічного рівня після обліку енергії, втраченої внаслідок неповного прийому їжі, енергії, що використовується для проведення роботи на цьому трофічному рівні, і енергії, втраченої як відходи. Неповний прийом їжі відноситься до того, що деякі споживачі з'їдають тільки частину своєї їжі. Наприклад, коли лев вбиває антилопу, він з'їсть все, крім шкури і кісток. Леву не вистачає багатого енергією кісткового мозку всередині кістки, тому лев не використовує всі калорії, які може забезпечити його здобич. У Сільвер-Спрінгс лише 1103 ккал/м ^2/рік з 7618 ккал/м ^2/рік енергії, доступної первинним споживачам, засвоювалося в їх біомасу. (Ефективність передачі трофічного рівня між першими двома трофічними рівнями становила приблизно 14,8 відсотка.)

Джерело тепла тварини впливає на його енергетичні потреби. Ектотерми, такі як безхребетні, риби, земноводні та плазуни, покладаються на зовнішні джерела тепла тіла, а ендотерми, такі як птахи та ссавці, покладаються на внутрішньо вироблене тепло. Як правило, ектотерми вимагають менше енергії для задоволення своїх метаболічних потреб і, ніж ендотерми, і тому багатьом ендотермам доводиться харчуватися частіше, ніж ектотерми.

Неефективність використання енергії ендотермами має широкі наслідки для світового продовольства. Широко визнано, що м'ясна промисловість використовує велику кількість сільськогосподарських культур для годування худоби, і оскільки низький відсоток цього засвоюється в біомасу, велика частина енергії від кормів для тварин втрачається. Наприклад, це коштує близько 1 цента, щоб виробляти 1000 дієтичних калорій (ккал) кукурудзи або сої, але приблизно $0,19 для виробництва аналогічної кількості калорій вирощування великої рогатої худоби для споживання яловичини. Така ж енергоємність молока від великої рогатої худоби також коштує дорого, приблизно в 0,16 долара на 1000 ккал. Таким чином, у всьому світі спостерігається зростаючий рух, спрямований на сприяння споживанню нем'ясних та немолочних продуктів, щоб менше енергії витрачалося даремно на годування тварин для м'ясної промисловості.

Атрибуція

Модифікований Мелісою Ха з наступних джерел:

Енергія, енергія потрапляє в екосистеми через фотосинтез та потік енергії через екосистеми з екологічної біології Метью Р. Фішер (ліцензований під CC-BY)
Екологія екосистем, потік енергії через екосистеми та травні системи із загальної біології/біології 2e від OpenStax (ліцензований під CC-BY). Доступ безкоштовно на openstax.org.
Продуктивність екосистем з біології Джона Кімбалла (ліцензована відповідно до CC-BY)