Существование любого биоценоза возможно только при постоянном притоке энергии. По существу, вся жизнь на Земле существует за счет энергии солнечного излучения, которая переводится фотосинтезирующими организмами в химические связи органических веществ. Гетеротрофы получают энергию с пищей. Все живые существа являются объектами питания других живых существ, то есть связаны между собой энергетическими отношениями. Пищевые связи в сообществах — это механизм передачи энергии от одного организма к другому или другим.
В каждом сообществе трофические связи переплетены в сложную сеть, так как организмы любого вида являются потенциальными объектами для пищи многих других видов.
Например, врагами тлей служат личинки и жуки божьих коровок, личинки мух, пауки, насекомоядные птицы и многие другие животные. За счет дубов в лиственных лесах могут жить несколько сотен форм различных членистоногих, фитонематод, паразитических грибков и т.д.; хищники обычно легко переключаются с одного вида на другой. Некоторые хищники могут потреблять в определенной мере и растительную пищу.
Трофические сети в биоценозах очень сложны. Однако первое впечатление о том, что энергия в трофических сетях может долго мигрировать от одного организма к другому, обманчиво. На самом деле путь каждой конкретной порции энергии, накопленной растениями, короток, он может передаваться не более, чем через 4 — 5 звеньев, состоящих из последовательно питающихся друг другом организмов.
Устойчивые цепи взаимосвязанных видов, последовательно извлекающих материалы и энергию из исходного пищевого вещества, называются цепями питания.
Место каждого звена в цепи питания называют трофическим уровнем. Первый трофический уровень — это всегда продуценты, растения, создатели органического вещества, биомассы; второй трофический уровень составляют травоядные животные — потребители или консументы 1 порядка; потребители травоядных животных — плотоядные — составляют следующий трофический уровень, являются консументами 2 порядка; потребители плотоядных форм относятся к консументам 3 порядка и т.д. по трофической цепи. При этом имеет значение пищевая специализация организмов-консументов. Виды с широким спектром питания могут включаться в пищевую цепь на различных трофических уровнях. Например, человек в рацион которого входят и растительная и животная пища, может явиться в разных пищевых цепях консументом первого, второго и третьего порядков.
Количество энергии, расходуемой на поддержание собственной жизнедеятельности, в цепи трофических уровней растет, а продуктивность падает. Энергетический баланс консументов складывается следующим образом. Поглощенная пища обычно усваивается не полностью. Неусвоенная пища вновь возвращается во внешнюю среду в виде экскрементов и в последующем может быть вовлечена в другие цепи питания. Процент усвояемости зависит от состава пищи и набора пищеварительных ферментов организма. У животных усвояемость варьирует от 12 — 20% (некоторые сапрофаги) до 75% у плотоядных видов.
Большая часть энергии усвоенной пищи используется на поддержание физиологических процессов в организме, а продукты обмена удаляются из организма в составе мочи, пота, выделений желез и углекислого газа, образующегося при дыхании. Энергетические затраты на поддержание метаболических процессов в организме называют тратой на дыхание.
Меньшая часть усвоенной энергии идет собственно на ассимиляцию, то есть на образование тканей, биомассы самого организма или на запасание питательных веществ. Обычно продуктивность каждого последующего трофического уровня не более, как уже было сказано, 5 — 20% от продуктивности предыдущего. Траты на дыхание во много раз больше энергетических затрат на увеличение массы организма. Конкретные соотношения зависят от стадии развития и физиологического состояния особей. У молодых траты на рост достигают больших величин, тогда как взрослые особи используют энергию пищи в основном на поддержание обмена веществ и созревание половых клеток.
Таким образом, большая часть энергии в цепи питания при переходе с одного уровня на другой теряется. К следующему звену в цепи питания поступает только та энергия, которая заключена в массе предыдущего поедаемого звена. Потери энергии составляют около 90% при каждом переходе через трофическую цепь. Например, если энергия растительного организма составляет 1000 Дж, то при полном поедании его травоядным животным в теле последнего ассимилируется всего 100 Дж, в теле хищника 10 Дж, а если этот хищник будет съеден другим, то в его теле ассимилируется только 1 Дж энергии, то есть 0,1%.
В результате энергия, накопленная зелеными растениями в цепях питания, стремительно иссякает. Поэтому пищевая цепь не может включать более 4 — 5 звеньев. Потерянная в цепях питания энергия может быть восполнена только за счет поступления новых ее порций. В экосистемах не может быть круговорота энергии, подобно круговороту веществ. Жизнь и функционирование любой экологической системы возможны только при односторонне направленном потоке энергии в виде солнечного излучения или при притоке запасов готового органического вещества.