Біологія. 9 клас. Козленко

Біотичні фактори: зв’язки між організмами. Харчові ланцюги та екологічні піраміди

Запам’ятайте терміни: мутуалізм, хижацтво, паразитизм, конкуренція, піраміди чисел, біомаси, енергії; трофічний ланцюг та трофічна мережа

Взаємодії організмів в екосистемах

Біосистеми різних рівнів здатні взаємодіяти одна з одною. Говорячи про взаємодії між організмами в екосистемах, правильніше було б називати такі зв’язки взаємодіями між популяціями. Саме в популяціях реалізація даних зв’язків призводить до еволюційних змін і, як наслідок, до покращення характеристик виду.

Такі взаємодії поділяються на прямі та опосередковані. Коли взаємодії між популяціями здійснюються через взаємодії між окремими особинами, такі зв’язки називаються прямими. При опосередкованих взаємодіях особини напряму не взаємодіють між собою, однак впливають одна на одну через деякі компоненти власної життєдіяльності або середовища. Зокрема, популяції тварин можуть впливати одна на одну через ресурс, що виробляється однією з популяцій. Такий спосіб взаємодії називається опосередкованим через середовище. Взаємодії, опосередковані через популяції, виникають тоді, коли обидві популяції перебувають у харчовій або іншій залежності від третьої.

Взаємовигідні відносини між популяціями, при яких дані популяції зустрічаються у природі лише разом, називаються мутуалістичними. Мутуалізм виникає лише тоді, коли екологічні ніші обох популяцій-учасників процесу є різними. Як правило, побічні продукти життєдіяльності одного учасника мутуалізму є ресурсом для іншого або ж кожен учасник отримує більш цінний для себе ресурс, а віддає менш цінний.

Мутуалістичні зв’язки широко розповсюджені у природі. Вони мають також еволюційне значення — так, перехід рослин до наземного способу життя став можливим лише завдяки взаємовигідним відносинам між рослинами та грибами або бактеріями. У сучасних екосистемах прикладом такої взаємодії може слугувати співжиття азотфіксуючих бактерій та бобових рослин. У тварин співжиття з бактеріями компенсує нездатність організму до здійснення певних біохімічних реакцій. Зокрема, травоїдні тварини перебувають у мутуалістичних зв’язках із мікроорганізмами, що здатні переробляти целюлозу. Подібні зв’язки спостерігаються також у термітів.

У випадку коли взаємовигідні відносини не є обов’язковими для нормальної життєдіяльності популяції у природі, їх взаємозв’язок називається протокооперацією. Доволі часто складно буває розрізнити мутуалізм та протокооперацію. Як правило, висновок про належність взаємозв’язку до того чи іншого типу роблять на основі детального вивчення життєдіяльності обох учасників в залежності та окремо один від одного.

Взаємовідносини, за яких один вид отримує користь від співжиття, а інший не зазнає жодного позитивного або негативного впливу, називаються коменсалізмом. Як правило, коменсал використовує ті продукти життєдіяльності господаря, виробіток яких не пов’язаний із окремими затратами та є результатом звичних фізіологічних процесів. Наприклад, поживою для коменсала можуть слугувати мертві рештки тіл господарів або відходи їх життєдіяльності. Зокрема, риба-прилипала харчується рештками від їжі, яку споживає акула або інша хижа риба. Результатом коменсалізму може бути також транспортування коменсала господарем. Так, насіння рослин може переноситися тваринами, а дрібні тварини можуть подорожувати, прикріплюючись до тіл більших.

Типи взаємовідносин, які характеризуються позитивними наслідками для одного учасника та негативними для іншого, об’єднані під назвою хижацтва, або експлуатації. Поняття «хижак» в широкому сенсі (експлуататор) включає в себе не лише тварин, що харчуються іншими тваринами шляхом їх безпосереднього поїдання, а й живих істот, які не убивають жертву зразу, однак завдають їй відчутної шкоди. Виділяють чотири типи хижаків:

• справжні хижаки, що зразу вбивають свою здобич (хижі звірі, комахи, головоногі молюски і так далі);
• організми, що поїдають лише частину жертви, не обов’язково спричинюючи її смерть (травоїдні тварини, п’явки, кровосисні комахи);
• живі істоти, що відбирають частину ресурсів господаря і не обов’язково спричинюють його загибель (віруси, гельмінти, рослини омела та повитиця, паразитичні найпростіші — трипаносома, лямблія тощо);
• організми, що відкладають яйця в тіло або гніздо жертви. Личинки, що виходять з цих яєць, поїдають жертву, а отже, спричинюють її смерть. Наприклад, це піщані оси, їздці тощо.

Взаємодії, за яких зростання чисельності одного виду-учасника спричиняє падіння чисельності іншого, називаються конкурентними. Конкуренція може здійснюватися прямо або опосередковано — через ресурс (їжу, територію, світло тощо), на який претендують обидва видів.

Крайньою формою конкуренції є аменсалізм — тип взаємозв’язку, в якому одна популяція зазнає негативного впливу іншої, нечутливої до взаємовідносин. Прикладом аменсалізму може слугувати затінення деревами трав’янистих рослин, знищення дрібних тварин під час пересування великих тощо.

Моделювання взаємодії організмів в екосистемах

Для передбачення результатів взаємодій в межах екосистеми застосовують математичні моделі.

У 1925 році італійський математик Віто Вольтерра зацікавився популяційною динамікою риб. Наслідком цього стала низка експериментів, що призвели до створення моделей опису внутрішньовидової взаємодії. Ці моделі базуються на розрахунках взаємозв’язків між кількістю їжі, чисельністю видів. що поїдають її та одне одного та співвідношенням цієї чисельності. Дані моделі виявились дуже близькими до тих, що їх розробив хімік Лотка для опису ланцюгових реакцій. Тому подібний тип моделей називають моделлю Лотки-Вольтерри.

Ланцюги живлення та екологічні піраміди

Передача речовин та перетворення енергії в екосистемах здійснюється завдяки живленню організмів. Глобальні процеси, що забезпечують життєдіяльність біосфери та створюють можливість існування людства, пов’язані із живленням великої кількості різноманітних живих істот. Живі організми живляться самі та слугують поживою для інших живих істот. Взаємовідносини між ними, що ґрунтуються на живленні, називаються трофічними зв’язками.

Трофічний ланцюг — це шлях перенесення органічної речовини та енергії, що міститься у ній, через послідовність організмів, що поїдають одне одного.

Існує два типи трофічних ланцюгів. Одні з них починаються від зелених рослин та йдуть до травоїдних, а потім і хижих тварин. Такі ланцюги називаються пасовищними (мал. 40). Детритні ланцюги ведуть від детриту (мертвої органічної речовини) до організмів, що його поїдають. В межах ланцюга відбуваються взаємопов’язані процеси продукції енергії шляхом фотосинтезу та її витрати у вигляді дихання.

Мал. 40. Трофічний ланцюг

Трофічні ланцюги не є автономними. Досить часто спостерігається участь однієї живої істоти у ланцюгах різного типу. В рамках екосистеми такі ланцюги формують сукупність взаємодій, що називається трофічною мережею (мал. 41).

Мал. 41. Частина харчової мережі струмка у Південному Уельсі

Трофічним рівнем називається сукупність організмів угруповання, що отримують енергію Сонця після однакової кількості перетворень. Першим трофічним рівнем є продуценти. Їх поїдають консументи І роду, утворюючи другий трофічний рівень. Консументи І роду слугують поживою для консументів ІІ роду (третій рівень), ті — для консументів ІІІ роду і так далі. Ці рівні не є жорстко закріпленими характеристиками — один і той же організм в межах однієї екосистеми може бути консументом різних родів.

Спосіб графічного відображення взаємозв’язків між трофічними рівнями в екосистемах називається екологічною пірамідою (мал. 42). Як правило, даний метод використовують для опису пасовищних трофічних ланцюгів. Існує кілька типів екологічних пірамід.

Піраміди чисельності (чисел) слугують для відображення чисельності популяцій організмів, що є ланками трофічного ланцюга. Якщо чисельність організмів зменшується з кожним наступним рівнем, піраміду називають правильною, якщо навпаки — перевернутою. Піраміди чисельності дещо перебільшують значення малих за розмірами організмів, чисельність яких доволі висока.

Для зображення переходу органічної речовини з одного рівня на інший використовуються піраміди біомас. Як правило, вони є правильними. Для деяких водних екосистем характерні перевернуті піраміди біомаси — наприклад, у водних екосистемах біомаса консументів значно перевищує біомасу продуцентів. Це пов’язано з тим, що піраміди біомаси перебільшують роль великих за розмірами організмів, що накопичують біомасу протягом кількох років (десятиліть).

Через різні трофічні ланки проходить різна кількість енергії. На основі даних про біомасу ланок трофічних ланцюгів та швидкість їх зміни можна побудувати піраміду енергії. Така піраміда завжди є правильною, адже базується на законах термодинаміки: під час кожного перетворення енергії її частина розсіюється у вигляді тепла.

Мал. 42. Екологічні піраміди різних типів у трьох екосистемах: степ, ліс та відкритий океан

Як і енергія, біомаса з переходом на вищий рівень піраміди витрачається. Цей факт покладено в основу правила екологічної піраміди: кількість біомаси та енергії значно зменшується з переходом від кожного попереднього рівня піраміди до наступного. На підставі цього було сформульовано правило десяти відсотків: при переході з одного трофічного рівня на інший на ріст організмів використовується приблизно 10% (від 4 до 20%) енергії, що міститься в їжі.

• 1. Складіть порівняльну таблицю способів міжвидової взаємодії різних організмів, вказавши символами +, -, 0 вплів від взаємодії для одного та другого видів. Наприклад, хижацтво: «+, -» — один з організмів отримує вигоду (їжа), іншого з’їдають.
• 2. Складіть схеми трофічних ланцюгів (мереж) лісу, степу, ставка.

Обговоріть у групах

Часто кажуть, що хижаки з їхніми жертвами (а також паразити з господарями) перебувають у постійній «гонці озброєнь». Наведіть приклади такої «гонки озброєнь».