Растения выполняют в экосистеме роль редуцентов. Эколого биологическая роль продуцентов. Какова роль продуцентов в естественных и искусственных экосистемах

Продуце́нты (также автотрофные организмы, автотрофы)- организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических. В основном, зелёные растения (синтезируют органические вещества из неорганических в процессе фотосинтеза), однако некоторые виды бактерий-хемотрофов способны на чисто химический синтез органики и без солнечного света. Являются первым звеном пищевой цепи.

Редуценты (также деструкуторы, сапротрофы, сапрофиты) - организмы, разрушающие остатки мёртвых растений и животных (черви, мокрицы, раки, сомы, грифы) и превращающие их в неорганические соединения (бактерии, грибы).

Консументы (лат. consumo - потребляю, также гетеротрофные организмы, гетеротрофы) - организмы, неспособные синтезировать органические вещества из неорганических. Потребляют органические вещества в готовом виде (1-го порядка - растительноядные, 2-го и больших порядков - плотоядные и хищники; всеядные животные). Являются вторым, третьим и далее звеньями пищевой цепи.

6. Среда обитания, пути приспособления к ней организмов.

Многие организмы в течение жизни периодически испытывают влияние факторов. Им приходится переносить и сильную журу, и сильные морозы, и летние засухи, и пересыхание водоемов, и нехватку пищи.

При ухудшении условий среды многие виды способны приостанавливать свою жизнедеятельность и переходитьв состояние скрытой жизни.

Глубокий анабиоз - это практически полная остановка обмена веществ. В отличии от смерти при этом организмы могут возвращаться к жизни. Переход в состоянии анабиоза расширяет возможности выживания организмов в самых суровых условиях.

Скрытая жизнь – очень важное экологическое приспособление. Это возможность переживать неблагоприятые изменения среды обитания. При востановлении необходимых условий организмы вновь переходят к активной жизни.

Переходя в состояние оцепенения или покоя, растения и животные как бы подчиняются воздействиям среды, экономя при этом затраты на свое существование.

Другой, прямо противоположный путь выживания организмов связан с поддержанием постоянства внутренней среды, несмотря на колебания воздействий внешних факторов. Обитая в условиях ихменчивой темпиратуры, теплокровные животные – птицы и млекопитающие – поддерживают внутри себя постоянную темпиратуру, оптимальную для биохимических процессов в клетках тела.

Возможен и третий способ выживания – избегание неблагоприятных условий и активный поиск других, более благоприятных местообитаний. Этот путь доступен только подвижным животным.

Так, например, зимующие тетерева и рябчики на большую часть суток зарываются в снег, где гораздо теплее.

Любую совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ, называют экосистемой. Для поддержания круговорота веществ в системе необходимо наличие запаса неорганических молекул в усвояемой форме и трех функционально различных экологических групп организмов: продуцентов, консументов и редуцентов.

Консументы (От лат.Consumе - употреблять)- это гетеротрофные организмы (все живые существа, нуждающиеся в пище органического происхождения), потребляющие органическое вещество продуцентов или других консументов и трансформирующих его в новые формы.

В зависимости от источников питания консументы подразделяются на три основных класса:

- фитофаги (растительноядные) - это консументы 1-го порядка , питающиеся исключительно живыми растениями. Например, птицы едят семена, почки и листву.

- хищники (плотоядные) - консументы 2-го порядка , которые питаются исключительно растительноядными животными (фитофагами), а также консументы 3-го порядка , питающиеся только плотоядными животными.
- эврифаги (всеядные), которые могут поедать как растительную, так и животную пищу. Примерами являются свиньи, крысы, лисы, тараканы, а также человек.

Термин «консумент (первого, второго и так далее) порядка» позволяет более точно указать место организма в цепи питания. Редуценты (например, грибы, бактерии гниения) также являются гетеротрофами, от консументов их отличает способность полностью разлагать органические вещества (белки, углеводы, липиды и другие) до неорганических (углекислый газ, аммиак, мочевина, сероводород), завершая круговорот веществ в природе, создавая субстрат для деятельности продуцентов.

Отдельно взятый организм может являться в разных трофических цепях консументом разных порядков, например, сова, поедающая мышь, является одновременно консументом второго и третьего порядка, а мышь -- первого и второго, так как мышь питается и растениями, и растительноядными насекомыми.

Наличие четырех взаимосвязанных блоков: продуцент - консумент первого порядка - консумент второго порядка - редуцент прослеживается всегда. Именно эту функциональную цепочку имеют в виду, говоря о трофических, или пищевых цепях в экосистеме.

Экологическая роль консументов состоит в переработке биомассы, накопленной продуцентами, и создании новой, дополнительной биомассы. За счет продуцентов они увеличивают свою биомассу, тратя, естественно, часть энергии на обеспечение своей жизнедеятельности, в частности, выделяя ее в той или иной форме в окружающую среду (рис. 36 - 3). Фактически они перераспределяют вещество и энергию во времени и пространстве.

Консументы не только используют биомассу предшественников для увеличения своей, но нередко просто разрушают ее, облегчая жизнь редуцентам.

Общее значение консументов в круговороте веществ своеобразно и неоднозначно. Они не обязательны в прямом процессе круговорота: искусственные замкнутые модельные системы, составленные из зеленых растений и почвенных микроорганизмов, при наличии влаги и минеральных солей могут существовать неопределенно долгое время за счет фотосинтеза, деструкции растительных остатков и вовлечения высвобожденных элементов в новый круговорот. Но это возможно лишь в стабильных лабораторных условиях. В природной обстановке возрастает вероятность гибели таких простых систем от многих причин. «Гарантами» устойчивости круговорота и оказываются в первую очередь консументы.

В процессе собственного метаболизма гетеротрофы разлагают полученные в составе пищи органические вещества и на этой основе строят вещества собственного тела. Трансформация первично продуцированных автотрофами веществ в организмах консументов ведет к увеличению разнообразия живого вещества . Разнообразие же -- необходимое условие устойчивости любой кибернетической системы на фоне внешних и внутренних возмущений (принцип Эшби), Живые системы -- от организма до биосферы в целом -- функционируют по кибернетическому принципу обратных связей. В дальнейшем тексте мы не раз встретимся с важностью различных форм биологического разнообразия (биологической разнокачественности) для устойчивого функционирования экосистем.

Животные, составляющие основную часть организмов-консументов, отличаются подвижностью, способностью к активному перемещению в пространстве. Этим они эффективно участвуют в миграции живого вещества , дисперсии его по поверхности планеты, что, с одной стороны, стимулирует пространственное расселение жизни, а с другой -- служит своеобразным «гарантийным механизмом» на случай уничтожения жизни в каком-либо месте в силу тех или иных причин.

Примером такой «пространственной гарантии» может служить широко известная катастрофа на о. Кракатау: в результате извержения вулкана в 1883 г. жизнь на острове была полностью уничтожена, но в течение всего 50 лет восстановилась -- было зарегистрировано порядка 1200 видов. Заселение шло главным образом за счет не затронутых извержением Явы, Суматры и соседних островов, откуда разными путями растения и животные вновь заселили покрытый пеплом и застывшими потоками лавы остров. При этом первыми (уже через 3 года) на вулканическом туфе и пепле появились пленки цианобактерий. Процесс становления устойчивых сообществ на острове продолжается; лесные ценозы еще находятся на ранних стадиях сукцессии и сильно упрощены по структуре.

Заметим, что и разделение живых организмов на продуцентов, консументов и редуцентов -- первый уровень биологической разнокачественности.

Наконец, чрезвычайно важна роль консументов, в первую очередь животных, как регуляторов интенсивности потоков вещества и энергии по трофическим цепям . Способность к активной авторегуляции биомассы и темпов ее изменения на уровне экосистем и популяций отдельных видов в конечном итоге реализуется в виде поддержания соответствия темпов создания и разрушения органического вещества в глобальных системах круговорота. Участвуют в такой регуляторной системе не только консументы, но последние (особенно животные) отличаются наиболее активной и быстрой реакцией на любые возмущения баланса биомассы смежных трофических уровней.

Все живые организмы на нашей планете можно отнести к продуцентам, консументам или редуцентам. О чем говорят эти термины? Каковы особенности организмов, относящихся к той или иной категории? На основании чего предложена такая классификация? Об этом будет рассказано в статье. Кроме того, более подробно будет раскрыт вопрос о том, кто такие редуценты. Примеры этих организмов тоже будут приведены ниже.

Описание трофической (пищевой) цепи

Все населяющие Землю растения, животные, микроорганизмы, грибы и т. д. включены в своеобразные взаимоотношения, называемые учеными трофической цепью (или пищевой). Одни из них поедают других, благодаря чему происходит перенос энергии от одного звена воображаемой цепи к другому. Таким образом, между ними существует простая связь: «пища - потребитель пищи».

Первое звено пищевой цепи составляют так называемые продуценты, или автотрофы. К ним относится большинство растений, водоросли. У продуцентов нет предшественников, для них характерно преобразование неорганических веществ в органические, благодаря чему происходит накопление энергии, и продуценты могут быть употреблены в пищу представителями следующего звена. Их называют консументами.

Консументы могут быть 1-го, 2-го, 3-го и 4-го порядка. Консументы 1-го порядка - обычно травоядные животные, 2-го - хищники, которые употребляют в пищу и т. д.

Далее в пищевой цепи размещаются деструкторы, или редуценты - организмы, которые перерабатывают органику обратно в неорганические вещества (или простейшие органические), обеспечивая, таким образом, процесс разложения и круговорот веществ в природе. Это важнейшее звено - «санитары». Можно привести следующие примеры редуцентов: сапротрофные бактерии, актиномицеты, грибы (например, рода Penicillium).

Роль этих организмов в трудно переоценить. Благодаря им органические остатки разлагаются без следа, обретая доступную для потребления продуцентами (автотрофами) структуру и форму. Продуценты-растения, потребляя их, наращивают зеленую массу и служат пищей для животных, людей. Значительную роль в природе играют редуценты - почвообразовательные бактерии, которые разлагают растительные и животные органические останки, способствуя тем самым превращению их в перегной а его, в свою очередь, - в минеральные соли.

Отличие редуцентов от падальщиков

Некоторые ошибочно считают, что к редуцентам относятся животные и птицы, питающиеся падалью. Но это не так. Главное отличие их от детритофагов (падальщиков) заключается в том, что организмы, питающиеся падалью, производят твердые отходы в виде экскрементов. Подобные продукты жизнедеятельности отсутствуют у редуцентов. Роль их заключается в разрушении - деструкции сложных органических веществ и превращении их в более простые по структуре (мочевина) либо неорганические. Детритофагов же, производящих твердые отходы, традиционно относят к консументам.

Потери энергии при переходах от одного уровня пищевой цепи к другому

При переходе энергии от продуцентов к консументам значительная ее часть теряется (до 80-90%), чаще всего в виде тепла. Это причина, по которой длина пищевой цепи обычно ограничена 3-6 звеньями.

Основные причины потери энергии следующие:

Организмы двигаются и тратят энергию на клеточное дыхание, обеспечивая свою жизнедеятельность.
Не вся органика может быть переварена животными, и часть ее выходит в виде экскрементов.
Далеко не все организмы предыдущего уровня попадают в пищу представителям следующего. Значительная их часть просто погибает по разным причинам.
Экскременты и погибшие организмы перерабатываются редуцентами в свою энергию.

Соотношение биомассы на разных уровнях

Учитывая сказанное выше, можно сделать вывод, что для сохранения экологического равновесия количество живых организмов на предыдущем уровне должно значительно превышать таковое на следующем. Иными словами, производителей должно быть больше, чем потребителей. При этом количество хищников на последующих уровнях уменьшается, но они становятся крупнее. Этот закон получил название правила экологической пирамиды.

Как же обстоит дело с редуцентами? Смена экосистем не имеет здесь значения: редуценты в ней все равно будут присутствовать. Именно их взаимная зависимость с консументами и продуцентами обеспечивает гарантию того, что при любых катастрофических обстоятельствах биогеоценоз не будет разрушен, и утраченные связи восстановятся.

Что же касается соотношения редуцентов и остальных групп в природе, то это вопрос довольно сложный, ведь мы имеем дело с чрезвычайно маленькими организмами. Как свидетельствуют исследования, ни общая их биомасса, ни численность не могут говорить о степени их продуктивности. Измерение такой биомассы затруднено и к тому же мало информативно. Так, количество микроорганизмов в почве может оставаться одним и тем же, но в различных условиях они будут демонстрировать разную активность.

Можно говорить о том, что в продуктивных экосистемах биомасса этих микроорганизмов составляет примерно 10-100 г на квадратный метр. Если посмотреть на показатели в тундре или пустыне, то они будут намного меньше, как и активность редуцентов. Смена экосистемы в данном примере дает возможность учитывать разные условия обитания.

В заключение

В статье была кратко описана структура пищевой цепи, а также более подробно рассказано о том, кто такие редуценты (с примерами).

Интересно, что такие звенья пищевой цепи, как консументы, отсутствовали на Земле на протяжении около 2 миллиардов лет, когда экосистемы состояли только из доядерных организмов, называемых прокариотами. А вот без редуцентов их существование было бы невозможно, ведь кто-то должен превращать органические вещества, продуцируемые пусть даже простейшими микроорганизмами, снова в неорганические. Благодаря жизнедеятельности редуцентов, примеры которых были приведены в статье, в почву возвращаются вода и минеральные соли. Таким образом, круг замыкается, и организмы-продуценты (автотрофы) снова могут воспользоваться полезными веществами.

Круговорот биологический – явление непрерывного характера, циклического, закономерного, но не равномерного во времени и пространстве перераспределения веществ, энергии и информации в пределах экологических систем различного иерархического уровня организации – от биогеоценоза до биосферы. Круговорот веществ в масштабах всей биосферы называют большим кругом, а в пределах конкретного биогеоценоза – малым кругом биотического обмена.

Академик В.И. Вернадский первым постулировал тезис о важнейшей роли живых организмов в формировании и поддержании основных физико-химических свойств оболочек Земли. В его концепции биосфера рассматривается не просто как пространство, занятое жизнью, а как целостная функциональная система, на уровне которой реализуется неразрывная связь геологических и биологических процессов. Основные свойства жизни, обеспечивающие эту связь, - высокая химическая активность живых организмов, их подвижность и способность к самовоспроизведению и эволюции. В поддержании жизни как планетарного явления важнейшие значение имеет разнообразие ее форм, отличающихся набором потребляемых веществ и выделяемых в окружающую среду продуктов жизнедеятельности. Биологическое разнообразие – основа формирования устойчивых биогеохимических циклов вещества и энергии в биосфере Земле.

Специфическое свойство жизни – обмен веществ со средой. Любой организм должен получать из внешней среды определенные вещества как источники энергии и материал для построения собственного тела. Продукты метаболизма, уже непригодные для дальнейшего использования, выводят наружу. Таким образом, каждый организм или множество одинаковых организмов в процессе своей жизнедеятельности ухудшают условия своего обитания. Возможность обратного процесса – поддержания жизненных условий или даже их улучшения, - определяется тем, что биосферу населяют разные организмы с разным типом обмена веществ.

В простейшем виде набор качественных форм жизни представлен продуцентами, консументами и редуцентами, совместная деятельность которых обеспечивает извлечение определенных веществ из внешней среды, их трансформацию на разных уровнях трофических цепей и минерализацию органического вещества до составляющих, доступных для очередного включения в круговорот (основные элементы, мигрирующие по цепям биологического круговорота, - углерод, водород, кислород, калий, фосфор, сера и т.д.).

Продуценты

Продуценты - это живые организмы, которые способны синтезировать органическое вещество из неорганических составляющих с использованием внешних источников энергии. (Отметим, что получение энергии извне - общее условие жизнедеятельности всех организмов; по энергии все биологические системы - открытые) их называют также автотрофами, поскольку они сами снабжают себя органическим веществом. В природных сообществах продуценты выполняют функцию производителей органического вещества, накапливаемого в тканях этих организмов. Органическое вещество служит и источником энергии для процессов жизнедеятельности; внешняя энергия используется лишь для первичного синтеза.

Все продуценты по характеру источника энергии для синтеза органических веществ подразделяются на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов. Первые используют для синтеза энергию солнечного излучения в части спектра с длиной волны 380-710 нм. Эго главным образом зеленые растения, но к фотосинтезу способны и представители некоторых других царств органического мира. Среди них особое значение имеют цианобактерии (сине-зеленые «водоросли»), которые, по-видимому, были первыми фотосинтетиками в эволюции жизни на Земле. Способны к фотосинтезу также многие бактерии, которые, правда, используют особый пигмент - бактериохлорин - и не выделяют при фотосинтезе кислород. Основные исходные вещества, используемые для фотосинтеза, - диоксид углерода и вода (основа для синтеза углеводов), а также азот, фосфор, калий и другие элементы минерального питания.

Создавая органические вещества на основе фотосинтеза, фотоавтотрофы, таким образом, связывают использованную солнечную энергию, как бы запасая ее. Последующее разрушение химических связей ведет к высвобождению такой «запасенной» энергии. Это относятся не только к использованию органического топлива; «запасенная» в тканях растений энергия передается в виде пищи по трофическим цепям и служит основой потоков энергии, сопровождающих биогенный круговорот веществ.

Хемоавтотрофы в процессах синтеза органического вещества используют энергию химических связей. К этой группе относятся только прокариоты: бактерии, архебактерии и отчасти сине-зеленные. Химическая энергия высвобождается в процессах окисления минеральных веществ. Экзотермические окислительные процессы используются нитрифицирующими бактериями (окисляют аммиак до нитритов, а затем до нитратов), железобактериями (окисление закисного железа до окисного), серобактериями (сероводород до сульфатов). Как субстрат для окисления используется также метан, СО и некоторые другие вещества.

При всем многообразия конкретных форм продуцентов-автотрофов их общая биосферная функция едина и заключается в вовлечении элементов неживой природы в состав тканей организмов и таким образом в общий биологический круговорот. Суммарная масса автотрофов-продуцентов составляет более 95 % массы всех живых организмов в биосфере.

Консументы

Живые существа, не способные строить свое тело на базе использования неорганических веществ, требующие поступления органического вещества извне, в составе пищи, относятся к группе гетеротрофных организмов, живущих за счет продуктов, синтезированных фото- или хемоситетиками. Пища, извлекаемая тем или иным способом из внешней среды, используется гетеротрофами на построение собственного тела и как источник энергии для различных форм жизнедеятельности. Таким образом, гетеротрофы используют энергию, запасенную автотрофами в виде химических связей синтезированных ими органических веществ. В потоке веществ по ходу круговорота они занимают уровень потребителей, облигатно связанных с автотрофами организмами (консументы 1 порядка) или с другими гетеротрофами, которыми они питаются (консументы II порядка).

Общее значение консументов в круговороте веществ своеобразно и неоднозначно. Они не обязательны в прямом процессе круговорота: искусственные замкнутые модельные системы, составленные из зеленых растений и почвенных микроорганизмов, при наличии влаги и минеральных солей могут существовать неопределенно долгое время за счет фотосинтеза, деструкции растительных остатков и вовлечения высвобожденных элементов в новый круговорот. Но это возможно лишь в стабильных лабораторных условиях. В природной обстановке возрастает вероятность гибели таких простых систем от многих причин. «Гарантами» устойчивости круговорота и оказываются в первую очередь консументы.

В процессе собственного метаболизма гетеротрофы разлагают полученные в составе пищи органические вещества и на этой основе строят вещества собственного тела. Трансформация первично продуцированных автотрофами веществ в организмах консументов ведет к увеличению разнообразия живого вещества. Разнообразие же необходимое условие устойчивости любой кибернетической системы на фоне внешних и внутренних возмущений. Живые системы - от организма до биосферы в целом - функционируют по кибернетическому принципу обратных связей.

Животные, составляющие основную часть организмов-консументов, отличаются подвижностью, способностью к активному перемещению в пространстве. Этим они эффективно участвуют в миграции живого вещества, дисперсии его по поверхности планеты, что, с одной стороны, стимулирует пространственное расселение жизни, а с другой служит своеобразным «гарантийным Механизмом» на случай уничтожения жизни в каком-либо месте в силу тех или иных причин.

Примером такой «пространственной гарантии может служить широко известная катастрофа на о. Кракатау: в результате извержения вулкана в 1883 г. жизнь на острове была полностью уничтожена, но в течение всего 50 лет восстановилась - было зарегистрировано порядка 1200 видов. Заселение шло главным образом за счет не затронутых извержением Явы, Суматры и соседних островов, откуда разными путями растения и животные вновь заселили покрытый пеплом и застывшими потоками лавы остров. При этом первыми (уже через 3 года) на вулканическом туфе и пепле появились пленки цианобактерий. Процесс становления устойчивых сообществ на острове продолжается; лесные ценозы еще находятся на ранних стадиях сукцессии и сильно упрощены по структуре.

Наконец, чрезвычайно важна роль консументов, в первую очередь животных, как регуляторов интенсивности потоков вещества и энергии по трофическим цепям. Способность к активной авторегуляции био- массы и темпов ее изменения на уровне экосистем и популяций отдельных видов в конечном итоге реализуется в виде поддержания соответствия темпов создания и разрушения органического вещества в глобальных системах круговорота. Участвуют в такой регуляторной системе не только консументы, но последние (особенно животные) отличаются наиболее активной и быстрой реакцией на любые возмущении баланса биомассы смежных трофических уровней.

В принципе система регулирования потоков вещества в биогенном круговороте, основанная на комплементарности составляющих эту систему экологических категорий живых организмов, работает по принципу безотходного производства. Однако в идеале этот принцип соблюден быть не может в силу большой сложности взаимодействующих процессов и влияющих на них факторов. Результатом нарушения полноты круговорота явились отложения нефти, каменного угля, торфа, сапропелей. Все эти вещества несут в себе энергию, первоначально запасенную в процессе фотосинтеза. Использование их человеком - как бы «отставленное во времени» завершение циклов биологического круговорота.

Редуценты

К этой экологической категории относятся организмы-гетеротрофы, которые, используя в качестве пищи мертвое органическое вещество (трупы, фекалия, растительный опад и пр.), в процессе метаболизма разлагают его до неорганических составляющих.

Частично минерализация органических веществ идет у всех живых организмов. Так, в процессе дыхания выделяется СО2, из организма выводятся вода, минеральные соли, аммиак и т.д. Истинными редуцентами, завершающий цикл разрушения органических веществ, следует поэтому считать лишь такие организмы, которые выделяют во внешнюю среду только неорганические вещества, готовые к вовлечению в новый цикл.

В категорию редуцентов входят многие виды бактерий и грибов. По характеру метаболизма это организмы-восстановители. Так, девитрифицирующие бактерии восстанавливают азот до элементарного состояния, сулъфатредуцирующие бактерия - серу до сероводорода. Конечные продукты разложения органических веществ - диоксид углерода, вода, аммиак, минеральные соли. В анаэробных условиях разложение идет дальше - до водорода; образуются также углеводороды.

Полный цикл редукции органического вещества более сложен и вовлекает большее число участников. Он состоит из ряда последовательных звеньев, в череде которых разные организмы-разрушители поэтапно превращают органические вещества сначала в более простые формы и только после этого в неорганические составляющие действием бактерий и грибов.

Уровни организации живой материи

Совместная деятельность продуцентов, консументов и редуцентов определяет непрерывное поддержание глобального биологического круговорота веществ в биосфере Земли. Этот процесс поддерживается закономерными взаимоотношениями составляющих биосферу пространственно-функциональных частей и обеспечивается особой системой связей, выступающих как механизм гомеостазирования биосферы - поддержания ее устойчивого функционирования на фоне изменчивых внешних и внутренних факторов. Поэтому биосферу можно рассматривать как глобальную экологическую систему, обеспечивающую устойчивое поддержание жизни в ее планетарном проявлении.

Любая биологическая (в том числе и экологическая) система характеризуется специфической функцией, упорядоченными взаимоотношениями составляющих систему частей (субсистем) и основывающимися на этих взаимодействиях регуляторными механизмами, определяющими целостность и устойчивость системы на фоне колеблющихся внешних условий. Из сказанного выше ясно, что биосфера в ее структуре и функции соответствует понятию биологической (экологической) системы.

На уровне биосферы как целого осуществляется всеобщая функциональная связь живого вещества с неживой природой. Ее структурно-функциональными составляющими (подсистемами), на уровне которых осуществляются конкретные циклы биологического круговорота, являются биогеоценозы (экосистемы).