Zależność „drapieżca - ofiara” przypomina „wyścig zbrojeń”
W poprzednim paragrafie zaczęliśmy zapoznawać się z podstawami ekologii -nauki o współdziałaniu organizmów ze sobą i otaczającym środowiskiem. Istoty żywe mogą współdziałać ze sobą na różnorodne sposoby, ale najbardziej typowy - to zjadanie jednych organizmów przez inne: zwierzęta roślinożerne zjadają rośliny, drapieżcy zjadają zwierzęta roślinożerne lub innych drapieżników.
Rozpatrzmy prosty układ, w którym jeden gatunek żywi się innym. Przeżycie drapieżcy bezpośrednio zależy od tego, jak efektywnie on poluje na ofiarę. Jednocześnie ofiara w celu zachowania siebie i swego gatunku powinna mieć możliwość uniknięcia pożarcia. Taki „konflikt interesów” prowadzi do swego rodzaju „wyścigu zbrojeń”: drapieżniki udoskonalają metody polowania, a ofiary - sposoby ochrony. Jeżeli jeden z gatunków w tym wyścigu pozostanie z tyłu, grozi mu wymieranie.
Przypomina to bardzo sytuację, którą opisał Louis Carrol w książce pt. „Alicja w krainie czarów”: U nas - tłumaczyła Alicja ledwo odsapnąwszy - jeśli tak długo
biegniesz jak poparzony to zwykle okazujesz się w innym miejscu. - Jaka powolna kraina! - zauważyła Królowa. -Au nas, jak widzisz, biegniesz jak poparzony, aby tylko utrzymać się w miejscu." Otóż aby przeżyć, i drapieżcy, i ofiary powinny stale ewoluować, odpowiadając na ewolucyjne przystosowania oponentów. To zjawisko jest czasami nazywane zasadą Czarnej Królowy, a współzależny równoległy rozwój gatunków należących do jednego ekosystemu - koewolucją.
I rzeczywiście, ta zasada dotyczy nie tylko zwierząt drapieżnych, lecz wszystkich organizmów, które żywią się innymi organizmami, w tym też gatunków roślinożernych. Dobitnie tę zasadę ukazał Antuan de Sent - Exupery w bajce „Mały Książę”: „Od milionów lat kwiaty mają kolce. Mimo to od milionów lat baranki jedzą kwiaty. A czy nie wydaje ci się godne wyjaśnienia, dlaczego kwiaty zadają sobie tyle trudu dla wytworzenia kolców, które nie służą do niczego?” Na podstawie otrzymanej wiedzy możemy odpowiedzieć Małemu Księciu, że odpowiednio do zasady Czarnej Królowy rośliny i zwierzęta roślinożerne (fitofagi) w ekosystemie koewolucjonują - rośliny wytwarzają przystosowania do ochrony przed fitofagami (na przykład kolce), a fitofagi - sposoby ominięcia mechanizmów ochronnych roślin.
Substancje w ekosystemie są przekazywane łańcuchami troficznymi
Wyjaśniliśmy, że w dowolnym ekosystemie istnieją skomplikowane zależności: organizmy jednych gatunków wykorzystują organizmy innych gatunków jako źródło pokarmu. Zające jedzą trawę, a wilki zjadają zająców; gąsienica zjada liście, sikorka zjada gąsienicę, a jastrzębie - sikorek; okoń odżywia się narybkiem, szczupak zjada okonia, a człowiek zjada szczupaka. Podobne kolejności „kto kogo zjada” w ekosystemach tworzą tak zwane pokarmowe (troficzne) łańcuchy.
Każdy uczestnik łańcucha pokarmowego posiada swój poziom troficzny. Na samym początku łańcucha troficznego znajdują się organizmy, które same nikogo nie zjadają. Odwrotnie, one stanowią podstawę odżywiania dla całego ekosystemu. To są organizmy autotroficzne, które zwykle są zdolne do fotosyntezy, czyli rośliny zielone i glony. One należą do troficznego poziomu producentów. Nimi odżywiają się organiżmy roślinożerne, które są nazywane konsumentami pierwszego rzędu. Konsumentami I rzędu odżywiają się konsumenci II rzędu itd., aż do tych drapieżców (konsumentów wyższych rzędów), którymi się już nikt nie odżywia. Co prawda nawet konsumenci wyższego rzędu po śmierci mogą służyć pokarmem dla tak zwanych detrytofagów - organizmów, które odżywiają się rozkładającym się materiałem organicznym.
Detrytofagi z kolei mogą być pokarmem dla innych organizmów, tym samym zaczynając nowy łańcuch zależności pokarmowych. Aby odróżnić łańcuchy pokarmowe zaczynające się od żywych organizmów autotroficznych od łańcuchów pokarmowych, które zaczynają się od ich resztek, pierwsze są nazywane łańcuchami pokarmowymi spasania, a drugie - detrytusowymi (ryc. 51.1). Detrytofagów nie należy mylić z re-ducentami - saprotroficznymi grzybami i bakteriami, które rozkładają organikę martwą do najprostszych związków nieorganicznych, wyprowadzając ją w ten sposób z łańcuchów odżywiania w ekosystemie.
Spróbuj teraz samodzielnie wymyślić kilka przykładów łańcuchów troficznych. Przekonasz się, że nawet mając najbogatszą wyobraźnię, praktycznie niemożliwie jest ułożyć łańcuch pokarmowy, który miałby więcej niż 5 ogniw. To nie przypadek, lecz jedna z najważniejszych prawidłowości ekologicznych, która jest naukowo uzasadniona z punktu widzenia prawa zachowania energii. Chodzi o to, że w procesie przejścia z jednego poziomu łańcucha troficznego na inny, zawsze zatraca się znaczna część energii - około 90%. Po pierwsze to jest związane z tym, że większość pochłoniętej energii zatraca się konsumentami na własne potrzeby oraz na poszukiwanie, pochłanianie i trawienie pokarmu i w rezultacie rozsiewa się w postaci ciepła. Po drugie takie zatraty są spowodowane tym, że przekształcenie się energii w procesach biochemicznych jest efektywne na 100%. Po trzecie nie wszystkie organizmy jednego poziomu troficznego są zjadane: niektóre umierają własną śmiercią, rozkładają się do najprostszych związków nieorganicznych i wyprowadzają z łańcucha troficznego. Od pierwotnych producentów biomasy w ekosystemie - zielonych roślin - do zwierząt roślinożernych dochodzi tylko 10% energii; do następnego poziomu-drapieżców -10% od 10%, czyli tylko 1% od wyjściowej ilości energii. Dlatego taki łańcuch nie można przedłużać w nieskończoność: wcześniej czy później energii w ekosystemie po prostu nie wystarczy do formowania następnego poziomu troficznego.
Sieci pokarmowe powstają wtedy, kiedy łańcuchy troficzne się przecinają
Wprzyrodzie prawienie ma przypadków, kiedy organizm wchodzi wskładtylkojednego łańcucha pokarmowego: każda istota żywa powiązana jest zależnościami pokarmowymi z mnóstwem innych gatunków. Zająców zjadają nie tylko wilki, lecz i lisy oraz jastrzębie; sikorki odżywiają się nie tylko owadami, lecz również nasionami i owocami roślin. W rezultacie całokształt łańcuchów pokarmowych formuje skomplikowaną strukturę stosunków-
troficzną (pokarmową ) sieć. Uproszczona morska sieć pokarmowa przedstawiona jest na rycinie 51.2.
Nawet w najprostszym ekosystemie sieci pokarmowe mogą być bardzo skomplikowane i zawikłane. Wszystkie organizmy mają różnorodne upodobania pokarmowe, prócz tego wiele organizmów może należeć do kilku poziomów troficznych jednocześnie. Dotyczy to na przykład organizmów wszystkożernych, między innymi niedźwiedzia czy człowieka. Ponadto organizmy potrafią wchodzić jednocześnie do łańcuchów spasania i detrytusowych, jeszcze bardziej komplikując ogólny obraz.
Piramidy ekologiczne wskazują stosunek ilościowy między poziomami troficznymi
Stosunek między charakterystykami ilościowymi poziomów troficznych w ekosystemach wygodnie jest przedstawić w sposób graficzny w postaci piramid podobnych do tych, które są ukazane na rycinie 51.3, A. Podstawę piramidy ekologicznej tworzą producenci, nad nimi rozmieszczają się konsumenci pierwszego rzędu, jeszcze wyżej -drugiego itd. Wielkość schodka piramidy odpowiada wielkości wskaźnika, który ciekawi ekologa, na przykład ilości osobników lub ich wspólnej biomasie.
Przypomnij sobie, że w procesie przejścia z jednego poziomu troficznego na inny znaczna część energii zostaje zużyta i rozprasza się w postaci ciepła. Uważa się, że na następny poziom troficzny przenosi się około 10% energii, chociaż jest to liczba przybliżona. To znaczy, że jeśli przedstawimy w postaci piramidy sumarną energię każdego poziomu troficznego, to każdy następny schodek będzie miał około 10 razy mniejszą powierzchnię niż poprzedni. Dokładnie wyznaczyć potencjalną energię wszystkich organizmów żywych na praktyce nie jest możliwe, natomiast można obliczyć ilość organizmów lub wyznaczyć ich sumarną masę. Piramidy ekologiczne, które ilustrują te wielkości, nazywamy piramidami liczb i piramidami biomas.
Piramida liczb i piramida biomas, mimo stosunkowo prostej budowy, nie zawsze są dogodne do odzwierciedlenia realnej sytuacji w ekosystemie. Po pierwsze liczebność organizmów na różnych poziomach troficznych może się różnić: spróbuj samodzielnie przedstawić piramidę liczb dla ekosystemu, w którym wieloryb odżywia się mikroskopijnym planktonem! Przy tym piramida liczb jest odwrócona, na przykład w przypadkach łańcuchów pokarmowych, które zawierają pasożytów lub kiedy liście dużych drzew służą pokarmem dla drobnych owadów roślinożernych. Piramida biomas nie posiada tych wad, ale w niektórych przypadkach też bywa odwrócona. Jest to charakterystyczne na przykład dla wielu ekosystemów wodnych, gdzie duże organizmy długowieczne odżywiają się drobnym fitoplanktonem, który się szybko rozmnaża (гус. 51.3.B). W każdym oddzielnym momencie czasu biomasa planktonu znajdującego się w ekosystemie może okazać się mniejsza niż biomasa górnych poziomów troficznych, ale wysoka produktywność fitoplanktonu wpływa na stabilność tego systemu.
Piramida energii, jeśli ona rzeczywiście uwzględnia wszystkie komponenty ekosystemu, zawsze ma kształt piramidalny, ponieważ energia na każdym następnym poziomie nie może wyniknąć znikąd, ale może bezpowrotnie rozpraszać się w postaci ciepła.
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
1
W większości łańcuchów pokarmowych człowiek posiada miejsce A producenta В reducenta C detrytofaga
D konsumenta wyższego rzędu E detrytusu
2
Przykładem przystosowania, które powstało w wyniku koewolucji, może być A jednakowy kształt ciała u delfinów i ryb В jednakowe przystosowania do lotu u nietoperzy i ptaków C zdolność niektórych gatunków motyli stwarzać swoje sygnały ultradźwiękowe, aby zmylić nietoperzy D długa szyja u żyrafy
E długie futro i puszysty ogon u polarnego lisa
3
Piramida biomas może być odwrócona, jeżeli A na wielkim drapieżcy żyją drobne pasożyty В na drzewie odżywia się wielka populacja mszyc
C wielcy konsumenci długowieczni odżywiają się producentami, które szybko giną D w ekosystemie są obecne detrytofagi E to jest łańcuch spasania
4
Przypuśćmy, że w jakimś leśnym ekosystemie ogólna biomasa producentów wynosi 1000 ton. Opierając się na zasadzie piramidy ekologicznej, wspólna biomasa konsumentów drugiego rzędu w tym ekosystemie wynosi około A 100 000 ton, ponieważ konsumentów zawsze jest więcej niż producentów В 1000 ton, ponieważ biomasa wszystkich poziomów troficznych w ekosystemie jest w przybliżeniu jednakowa
C 10 ton, ponieważ konsumentów II rzędu jest około 100 razy mniej niż producentów
D 100 kg, ponieważ na każdy następny poziom troficzny przechodzi zwykle 1% energii
E 810 ton, ponieważ na każdy następny poziom troficzny przechodzi zwykle 90% energii
5
Łańcuchy pokarmowe, które zaczynają się od martwych resztek organicznych, nazywają się łąńcuchami
A spasania В detrytusowymi C troficznymi
D odwróconymi E organicznymi
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
6
Podaj przykłady łańcuchów troficznych jednego lądowego i jednego morskiego ekosystemu.
7
Dlaczego w typowym łańcuchu pokarmowym nie może być 6 czy 7 ogniw?
8
Podaj charakterystykę dwóch przykładów ekosystemów, które mają odwrócone piramidy liczb.
9
W satyrycznej bajce Fazila Iskandera „Króliki i dusiciele” opisano system zależności pokarmowych, w którym dusiciele zjadają królików, uprzednio je hipnotyzując. Pewnego razu króliki wynajdują sposób, jak uratować się przed hipnozą. Odtąd dusiciele tracą możliwość polowania. Zaproponuj dwa różne scenariusze dalszego przebiegu wydarzeń w tym ekosystemie.
10
Na czym polega zasadnicza różnica pod względem typu odżywiania się między producentami, konsumentami i reducentami? Do jakiego poziomu troficznego należy odnieść detrytofagów, uwzględniając ich typ odżywiania?
Znajdź odpowiedź i zbliż się do rozumienia przyrody
11
Piramidy energii posiadają szereg zalet w porównaniu z piramidami liczb i biomas, jednak ich tworzenie wiąże się z dodatkowym wysiłkiem. Jakie dodatkowe dane są potrzebne do tworzenia piramid energii?
12
Jak zbadano, że między poziomami łańcucha pokarmowego przenosi się tylko 10% energii? Czy można to potwierdzić drogą eksperymentu?
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
13
Jakie praktyczne zastosowanie mają piramidy ekologiczne? Jakie problemy i trudności wiążą się z ich tworzeniem i zastosowaniem?
14
Dlaczego zasada Czarnej Królowy w walce między gospodarzem i pasożytem lepiej realizuje się u organizmów rozdzielnopłciowych niż u tych, co rozmnażają się bezpłciowo czy są hermafrodytami?
Dodatek XI
Jak rośliny przeciwstawiają się zwierzętom roślinożernym
Około 450 min lat temu, kiedy pierwsze rośliny opanowały ląd, zaczęła się jedna z najciekawszych i najbardziej pociągających historii w życiu biosfery planety Ziemia. Mowa tu jest o współdziałaniu roślin i zwierząt, które z biegiem czasu stawało się coraz bardziej naprężone, ostre i wytworne. Trwa to do dnia dzisiejszego i my na każdym kroku widzimy tego przejawy.
Na pewno od momentu swego pojawienia się rośliny stały się pokarmem dla zwierząt. Nie mogły pozwolić zjadać siebie i próbowały za wszelką cenę
przeszkodzić temu. W procesie ewolucji one wynalazły mnóstwo różnorodnych sposobów przeciwstawiania się zwierzętom roślinożernym, które nazywają się inaczej fitofagami.
Wiele z tych sposobów jest ogólnie znana. Do nich należy zewnętrzna ochrona mechaniczna, która w dosłownym znaczeniu tego słowa nie pozwala zwierzęciu jeść rośliny. To są różnorodne kolce na łodygach i liściach (jak u kaktusów), parzące włoski (jak u pokrzywy), nasienie pokryte twardą, prawie kamienną łupiną (jak u orzecha kokosowego). A takie ciekawe zjawisko jak skręcanie się liścia u znanej wszystkim mimozy umożliwia roślinie zmniejszenie pola powierzchni dostępnej dla zwierzęcia czy nawet zrzucenie drobnego owada!
Wiele roślin na pierwszy rzut oka nie ma żadnych widocznych sposobów walki ze zwierzętami, które im zagrażają. Jednak wcale tak nie jest. Na przykład zwykła sosna dobrze chroni się przed zagrożeniami zewnętrznymi. Za próbę uszkodzenia jej pnia owad będzie zalany trującą lepką smołą prawie bez szans na ratunek. A w komórkach wielu roślin znajdują się drobne i bardzo ostre kryształy soli wapnia, które mogą spowodować uczucie bólu u zwierzęcia, które je roślinę a nawet uszkodzić jego otwór gębowy, ułatwiając przenikanie substancji trujących i drobnoustrojów. Ściany komórkowe roślin drzewnych są specjalnie pogrubione i zawierają dużo niejadalnego błonnika i ligniny, a w komórkach paproci i skrzypów jest także dwutlenek krzemu, co znacznie utrudnia trawienie takiego pokarmu. Nawet zwykły liść często ma niezawodną ochronę. Oprócz kolców i igieł powierzchnię listka mogą pokrywać różnorodne drobne włoski i gruba warstwa wosku, w którym grzęzną szczęki drobnych owadów roślinożernych.
Rośliny potrafią produkować ogromną ilość różnorodnych związków chemicznych, które zapobiegają zjadaniu tych roślin przez różne zwierzęta. Taka chemiczna ochrona działa efektywnie i wielostronnie. Jedne substancje robią rośliny lub jej części niesmaczne, inne - zmniejszają wartość odżywczą, a trzecie - są po prostu trujące i mogą doprowadzić do śmierci zwierzęcia lub osłabić rozwój jego larw w roślinie. Pozatem rośliny nauczyły się odstraszać zwierząt jeszcze na odległości za pomocą specjalnych substancji - repelentów. Zwierzęta wyczuwają takie substancje na podstawie nieprzyjemnego zapachu i nie decydują się napadać na roślinę.
Chyba najbardziej wyszukany sposób ochrony - to walka ze zwierzętami roślinożernymi za pomocą innych zwierząt. Kiedy roślina ulega napadowi ze strony zwierząt roślinożernych, na przykład owada, ona produkuje substancje lotne zwabiające drapieżców, które z kolei atakują fitofaga. Czyli rośliny również znają zasadę „wróg mojego wroga - to mój przyjaciel”. Najwięcej z tego skorzystały niektóre gatunki akacji. Aby za każdym razem nie czekać na drapieżcę, one wynalazły własną stałą ochronę w postaci mrówek. Te owady stale mieszkają na roślinie (przy czym w specjalnych komorach) i za udostępnienie im „mieszkania” bronią rośliny. Niektóre posunęły się jeszcze dalej i oprócz mieszkania karmią swoich obrońców, zapewniając sobie w ten sposób pewną ochronę.
Grzyby i drobnoustroje też mogą pełnić rolę obrońców i wiele roślin z tego korzysta. Temu, kto spróbuje naruszyć całość rośliny, ona może zrobić nieprzyjemną niespodziankę w postaci substancji trujących, które produkują grzyby, lub chorób, które są wywoływane przez bakterie chorobotwórcze.
Warto zaznaczyć, że powstanie i rozwój nowych sposobów zapobiegania zjadaniu roślin przez zwierzęta często odbywa się w wyniku tak zwanej wspólnej ewolucji - koewolucji. Roślina i zwierzę wspólnie niby wynajdują sposoby obrony i ataku, osiągając pewien bilans i kompromis. Niektóre rośliny poszły drogą mniejszego oporu i pozwalają roślinożernym zwierzętom spożywać siebie, co prawda tylko niektóre części, które specjalnie w tym celu są rozwinięte i w ten sposób odwlekają od innych, życiowo ważnych części. Chytrą taktykę obrało wiele zielnych roślin stepów, sawann i łąk. Nie mogąc dobrze przeciwstawiać się zjadaniu przez ssaki roślinożerne, one obrały prosty sposób kompensowania zbytków: w ślinie roślinożernych znajdują się substancje, które stymulują wzrost roślin zielnych. Okazuje się, że im więcej ich się zjada, tym bardziej one rosną! Chyba najprościej unikają zjadania przez zwierzęta tak zwane epifity - rośliny, które żyją na innych roślinach. One osiedlają się wysoko w koronach drzew lasów tropikalnych, gdzie dosięgnąć do nich potrafią tylko jednostki. Podobnie zachowują się przylaszczki, które pojawiają się na wiosnę: dzięki takiemu cyklowi rozwoju one unikają spotkania z wieloma zwierzętami roślinożernymi.
Źródło: Biologia podręcznik dla klasy 9 Szałamow