ZOOLOGIA OGÓLNA Wykład 10-11
Piramidy troficzne jako element ekosystemu.
Krzysztof Turlejski
Wydział Biologii i Nauk o Środowisku
Uniwersytet Kardynała Stefana Wyszyńskiego
Druga zasada termodynamiki a organizmy żywe
„Entropia dowolnego układu fizycznego stale rośnie.”
Każdy układ fizyczny dąży do wyrównania różnic
rozkładu energii („temperatury”) tak, aby jej rozkład w przestrzeni stał się równomierny. Inaczej: każdy układ dąży do „entropii”).
Organizmy żywe pozornie temu przeczą: lokalnie zmniejszają entropię, bo z upływem czasu, rozmieszczenie energii w nich staje się mniej przypadkowe.
Podobnie jest przy tworzeniu się gwiazd i planet.
W dłuższej i szerszej perspektywie,
samoorganizujące się układy przyspieszają
dążenie do entropii.
Wszystkie organizmy żywe
potrzebują stałego dopływu energii
Organizmy żywe stale zużywają energię na:
- syntezę związków chemicznych, z których zbudowane jest ich ciało;
- utrzymanie różnicy potencjałów między wnętrzem komórek a ich środowiskiem;
- bieżące potrzeby fizjologiczne - pobieranie pokarmu, trawienie, wydalanie, krwiobieg;
- produkcję gamet i na inne potrzeby rozrodu.
Zwierzęta potrzebują ponadto energii do
działania układu nerwowego i mięśniowego.
Źródła energii organizmów żywych
Źródłem energii pierwszych form życia były związki nieorganiczne (siarczki, fosforany)
obecne w strefach wulkanicznych. Do dziś niektóre bakterie używają ich jako źródła energii.
Kiedy jednokomórkowe glony - sinice wytworzyły chlorofil, zyskały możliwość przekształcania
kwantów energii słonecznej (fotonów) w energię chemiczną.
Chlorofil mają jedynie glony i rośliny i tylko one syntezują substancje pokarmowe
używając energii słonecznej.
Obecnie ogromna większość energii, której
używają organizmy żywe została pierwotnie
pozyskana z energii słonecznej.
Wszystkie grzyby i zwierzęta, a
także większość bakterii pozyskują energię
- zjadając glony i rośliny;
- zabijając i zjadając zwierzęta które je wcześniej zjadły;
- rozkładając materię organiczną wytworzoną wcześniej przez
inne (najczęściej już martwe)
organizmy.
Źródła energii dostępnej zwierzętom
Zwierzęta nie potrafią same przekształcać
energii słońca w energię chemiczną i kumulować jej w związkach chemicznych.
Energia zawarta w związkach chemicznych zsyntezowanych przez rośliny lub glony jest
przekazywana z jednego organizmu do drugiego w złożonych łańcuchach pokarmowych, tworzących wielopoziomową sieć powiązań ekologicznych.
Tylko niewielka część energii zawartej w
związkach zsyntezowanych pierwotnie przez
glony i rośliny staje się dostępna zwierzętom,
jako pokarm.
Schemat pięter łańcucha pokarmowego
Produkcja wtórna
Pierwotni producenci to rośliny lub glony.
Pierwotni i wtórni konsumenci to bakterie,
zwierzęta roślinożerne i mięsożerne oraz grzyby.
Na ostatnim piętrze są drapieżniki szczytowe.
Produkcja pierwotna Energia słoneczna
Definicja poziomów troficznych
Poziom troficzny jest to grupa organizmów w obrębie jednego ekosystemu (czyli tego
samego łańcucha pokarmowego), która pozostaje w tym samym stosunku do pierwotnego źródła energii.
Wyróżnia się pięć głównych poziomów troficznych, składających się na łańcuch pokarmowy.
Dla ogromnej większości ekosystemów pierwotnym źródłem energii jest słońce.
Nieliczne ekosystemy wykorzystują energię chemiczną
związków zawartych w wodach geotermalnych.
Poziomy troficzne
• Poziom troficzny jest to grupa organizmów zajmujących tę samą pozycję w łańcuchu pokarmowym.
• Pierwotni producenci znajdują się u podstawy łańcucha (piramidy) zależności i zajmują pierwszy poziom
troficzny.
• Pierwotni konsumenci, żywiący się pierwotnymi producentami, tworzą drugi poziom troficzny.
• Konsumenci wtórni, zjadający konsumentów pierwotnych, znajdują się na trzecim poziomie troficznym.
• Konsumenci kolejnych rzędów tworzą najwyższe poziomy troficzne.
Przekazanie energii na wyższy poziom troficzny zawsze odbywa się z dużą stratą.
Poziom pierwszy: pierwotni producenci
Promieniowanie słońca jest głównym źródłem energii dla producentów pierwotnych, zwanych
autotrofami. Są to zazwyczaj rośliny lub algi, syntezujące związki organiczne na drodze
fotosyntezy z dwutlenku węgla i wody. Rzadziej – bakterie zdolne do chemosyntezy.
Pierwotnymi produktami fotosyntezy są glukoza i tlen, który jest uwalniany do atmosfery.
Glukoza jest magazynowana jako polimer (skrobia), służy też do budowy struktury roślin (celuloza,
lignina)
Glukoza i skrobia są najłatwiejszymi do
rozłożenia produktami fotosyntezy.
Kim są producenci pierwotni?
W ekosystemach lądowych większość producentów pierwotnych to rośliny naczyniowe, takie jak
paprocie, trawy, drzewa i rośliny kwiatowe.
W powierzchniowych ekosystemach morskich pierwotnymi producentami są algi, glony i rośliny wodne.
W głębinach morskich pierwotni producenci to
„chemoautotrofy”, uzyskujący energię z utleniania
nieorganicznych związków chemicznych.
Dalsze poziomy troficzne
Wyższe poziomy troficzne składają się z
konsumentów (zwanych heterotrofami), którzy nie syntezują własnych substancji organicznych, lecz
uzyskują je i energię zjadając rośliny i/lub inne zwierzęta.
Drugi poziom troficzny składa się z roślinożerców, zjadających producentów pierwotnych.
Na poziomie trzecim są konsumenci wtórni żywiący się zwierzętami roślinożernymi i wszystkożercy.
Czwarty poziom to również zwierzęta mięsożerne.
Najwyższy, piąty poziom zajmują drapieżniki
szczytowe, którymi nikt się nie żywi.
Poziom drugi: pierwotni konsumenci
Pierwotni konsumenci to roślinożercy, organizmy
przystosowane do zjadania i trawienia roślin i alg. Roślinożerne zwierzęta lądowe dzieli się zazwyczaj na dwie kategorie: pasący się (ang. grazers, jak krowy, owce, króliki), których dieta w co najmniej 90% składa się z trawy i i skubiący (ang. browsers, jak jelenie, sarny czy kozy), których dieta składa się w co najmniej 90% z liści i gałązek drzew i krzaków.
Konsumenci pierwotni mogą także opierać dietę na innych częściach roślin. Wiele nietoperzy, ptaków i małp zjada
głównie owoce (frugivora); ptaki, owady, nietoperze i pająki żywią się nektarem (nectarivora); termity i chrząszcze zjadają drewno (xylophages).
W ekosystemach wodnych, konsumentami pierwotnymi jest zooplankton, głównie małe skorupiaki (dafnie, kryl) żywiące się fotosyntezującymi algami (fitoplankton, producenci).
Konsumenci wtórni (poziom trzeci)
Konsumenci wtórni (poziom trzeci) to zwierzęta mięsożerne i wszystkożerne żywiące się przynajmniej częściowo zwierzętami roślinożernymi. Tu zaliczane są także rośliny mięsożerne,
żywiące się owadami roślinożernymi (n.p. rosiczka).
Konsumenci wtórni to zazwyczaj niewielkie organizmy: ryby, płazy, małe gady, ptaki i ssaki (łasica). Jednak zaliczamy tu
także duże drapieżniki, takie jak lwy czy orły, które mogą żywić się głównie konsumentami pierwotnymi, a więc żyć głównie na trzecim poziomie troficznym.
W ekosystemach morskich gatunki, które zjadają
zooplankton są konsumentami wtórnymi. Tu zaliczamy meduzy, nieduże ryby jak sardynki (ale również rekina wielorybiego), większe skorupiaki (kraby, homary) a także wieloryby
fiszbinowe, filtrujące z wody drobne bezkregowce.
Konsumenci trzeciego rzędu (poziom czwarty)
Konsumenci trzeciego rzędu zjadają także innych mięsożerców, ale i sami padają ofiarą innych mięsożerców.
Przykład: sowy. Żywią się głownie roślinożernymi gryzoniami, ale i
konsumentami wtórnymi, takimi jak małe ptaki czy łasice.
Jednak same też mogą stać się ofiarami, na
przykład orłów, jastrzębi czy kun. Nie są wiec
drapieżnikami szczytowymi.
Poziom piąty: drapieżniki szczytowe
Drapieżniki szczytowe to zwierzęta żyjące na szczycie łańcucha pokarmowego, mięsożerne i nie mające
drapieżników, które by je mogły zabić dla pokarmu.
Orły, wilki, wielkie koty, takie jak jaguar czy gepard, a w morzu rekiny, tuńczyki, orki i inne delfiny to przykłady drapieżników szczytowych.
Drapieżniki szczytowe często maja szczególne adaptacje do skutecznych łowów, takie jak ostre zęby i pazury, duża szybkość, zwrotność, i umiejetność podchodzenia ofiary.
Często polują w grupach, co zwiększa ich sukces łowiecki.
Rekiny wielorybie są ogromnymi filtratorami, żuwiącymi się planktonem i małymi rybkami. Ponieważ jednak nie ma
drapieżników, które by się nimi żywiły, to bywają zaliczane do grupy drapieżników szczytowych.
NAZEWNICTWO - PODSUMOWANIE
Roślinożercy – jedzą wyłącznie rośliny/grzyby
Wszystkożercy- jedzą rośliny i zwierzęta
Drapieżniki (mięsożercy)- jedzą wyłącznie pokarm zwierzęcy.
Konsumenci są także nazywani „organizmami
heterotroficznymi”, ponieważ nie są w stanie same
zsyntezować związków akumulujących energię słoneczną lub chemiczną.
Przepływ energii w łańcuchu pokarmowym jest
ograniczony; jej większość jest rozpraszana na każdym z poziomów. Bardzo niewiele dociera do poziomu
najwyższego.
Drapieżnik szczytowy – największy lub najbardziej
skuteczny drapieżnik ekosystemu. Nie ma naturalnych wrogów, którzy byliby w stanie go zabić.
Rola drapieżników szczytowych
Kontrola liczebności populacji zwierząt na niższych poziomach troficznych jest
niezwykle ważną rolą drapieżników szczytowych.
Usuniecie drapieżników szczytowych ze środowiska może doprowadzić do nadmiernego rozmnożenia roślinożerców, zniszczenia ich bazy pokarmowej (roślin) i załamania całego
ekosystemu, w tym zagrożenia istnienia innych roślinożerców, takich jak owady.
Taka zapaść ekosystemu jest znana jako
„odwrócona kaskada”.
Schemat biocenozy pola uprawnego
Materia organiczna i zawarta w niej energia są przekazywane w złożonej i
wielopiętrowej sieci tworzącej biocenozę.
Piramidy zależności ekologicznych
W ekosystemach istnieją ścisłe zależności między liczbą organizmów, ich biomasą i energią skumulowaną u producentów i konsumentów różnych poziomów.
Kiedy przedstawia się te zależności graficznie, otrzymujemy piramidę zależności ekologicznych.
Pierwszy w ten sposób przedstawił zależności w ekologii Charles Elton w roku 1927.
W piramidach ekologicznych przedstawia się w formie piramidy właściwości różnych poziomów, z producentami u podstawy i drapieżnikami szczytowymi na wierzchołku.
Piramidy pokazują zależności ekologiczne trzech głównych typów:
o Piramida liczebności osobników
o Piramida objętości biomasy
o Piramida zakumulowanej energii
Przepływ energii w ekosystemie
Piramida troficzna (zakumulowanej energii)
Na każdym poziomie organizmy spalają
większość energii na własne potrzeby
(metabolizm, aktywność)
Prawo 10% Lindemana
Do wyższego poziomu troficznego może przejść najwyżej 10% energii zgromadzonej na niższym poziomie.
Reszta energii jest zużywana na potrzeby
metaboliczne i aktywność zwierząt należących
do tego poziomu.
Piramida energii
Piramida ta
przedstawia ilość
energii na każdym z poziomów
troficznych łańcucha pokarmowego.
Każdy z poziomów zużywa 90% dostępnej na tym poziomie enegii i może przekazać do poziomu wyższego tylko 10%.
Podstawa piramidy jest zawsze szeroka, a
wierzchołek wąski.
Przykład piramidy przepływu energii w ekosystemie stawu.
Na każdym z poziomów znajdują się różne organizmy tworzące to ogniwo łańcucha pokarmowego. Od dołu:
Producenci — wprowadzają do ekosystemu energię ze źródeł nieorganicznych
Konsumenci pierwotni — zjadają producentów, a więc w większości środowisk są roślinożercami.
Konsumenci wtórni - zjadają konsumentów pierwotnych, czyli są mięsożercami
Konsumenci trzeciego rzędu – zjadają konsumentów wtórnych
W niektórych łańcuchach pokarmowych są jeszcze konsumenci czwartego rzędu, a bardzo rzadko – piątego.
Pytanie:
dlaczego długość łańcuchów pokarmowych jest ograniczona?
Łańcuchy pokarmowe
The producers, consumers, and
decomposers of each ecosystem make up a food chain.
Producers- Plants- Make their own food
Consumers- Animals- Need to eat other living things for energy/survivial.
Decomposers- Bacteria- Break down
dead plants and animals
Inne przedstawienie przepływu, akumulacji i rozpraszania energii
na poszczególnych poziomach troficznych
Piramidy biomasy
w środowisku lądowym i wodnym.
W środowisku wodnym masa autotrofów (głównie
glonów) i konsumentów pierwotnych jest w każdym
momencie mała, ale mnożą się oni bardzo szybko.
Pyramid of biomass:
It is the graphic representation of biomass of organisms present in unit area of
various trophic levels of a food chain with the biomass of producers at the base and that of top carnivores at the apex.
The pyramid of biomass of terrestrial ecosystem is upright or erect as there is gradual decrease in the biomass of organisms from the second trophic level to the final
trophic level.
However, the pyramid of biomass of aquatic ecosystems (pond, lake, river etc.) is inverted, i.e. broad apex and tapering base which is because of the progressive increase in the biomass of the organisms from the second trophic level to the final trophic level.
In an aquatic ecosystem, most number of producers (algae) is microscopic and unicellular. They are more in number but their biomass is less than that of primary consumers.
The biomass of secondary consumers is more than that of primary consumers and the biomass of the final trophic level is the largest of all the trophic levels. Therefore, the pyramid of biomass of an aquatic ecosystem is always inverted.
Piramida liczebności.
Liczby organizmów na różnych poziomach troficznych łańcucha pokarmowego.
Stałe zmniejszanie się liczby osobników na kolejnych
poziomach piramidy. Piramidy liczebności są prawie zawsze węższe u szczytu, niezależnie od środowiska.
Energia, biomasa i liczebność organizmów na
różnych poziomach, w różnych środowiskach
Sieci troficzne
Wszystkie łańcuchy pokarmowe danego obszaru tworzą złożoną sieć troficzną.
Idylla maleńka taka…
Mikołaj Biernacki (Rodoć) IDYLLA MALEŃKA TAKA Idylla maleńka taka:
Wróbel połyka robaka, Wróbla kot dusi niecnota, Pies chętnie rozdziera kota, Psa wilk z lubością pożera, Wilka zadławia pantera.
Panterę lew rwie na ćwierci,
Lwa - człowiek; a sam, po śmierci Staje się łupem robaka.
Idylla maleńka taka.
….. Bipalium sp.
Pytanie: od którego poziomu troficznego zaczyna się ten wiersz i na którym się kończy?
Inna perspektywa: obrót materii.
Rola destruentów.
Sieć troficzna wokół gorącego źródła
Pełny łańcuch troficzny musi uwzględniać rolę destruentów
Często są nimi bakterie, grzyby, pierścienice i owady
Sieć troficzna lasów Ameryki Północnej
Sieć troficzna morskiej strefy przybrzeżnej, z
foką jako drapieżnikiem szczytowym
Rafa koralowa jest łańcuchem pokarmowym, a
zarazem ekosystemem
Sieci zależności pokarmowych
mogą być niezwykle skomplikowane.
Jest to domena ekologii.
Pytania
1. Z jakich źródeł organizmy żywe
pozyskują energie i do czego jej używają?
2. Co to są poziomy troficzne i co o nich wiesz.
