Способы построения экологическая пирамида

Биология. 10 класс

§ 46. Экологические пирамиды. Правило Линдемана

*Правило Линдемана

Как вы уже знаете из предыдущего параграфа, вещества в экосистеме используются многократно, включаясь в круговорот. Это происходит благодаря взаимосвязи пастбищных и детритных цепей питания. Причем в превращении веществ главную роль играют живые организмы. Круговорот веществ начинается с поступления химических элементов из почвы (вода и минеральные соли) и атмосферы (углекислый газ, азот) в живые организмы — продуценты. Продуценты синтезируют органические вещества, часть которых дальше передается по пищевой цепи консументам. Определенное количество органических веществ продуцентов и консументов возвращается в почву с трупным материалом, экскрементами (детрит). В результате деятельности редуцентов они превращаются в минеральные вещества, атомы которых снова вовлекаются продуцентами в круговорот. Но совершенно замкнутым круговорот веществ быть не может. Атомы некоторых химических элементов могут на длительное время выводиться из круговорота, накапливаясь в литосфере в составе известняка (мела), каменного угля, природного газа, нефти, торфа, руд различных металлов.

Превращение энергии в цепях питания экосистемы идет несколько иначе, чем превращение веществ. Поток солнечной энергии, поступивший в экосистему, после включения в органическое вещество как бы разделяется на два русла — пастбищное и детритное. В каждом из них освобождающаяся энергия расходуется на поддержание жизнедеятельности организмов: размножение, движение, поддержание температуры тела, транспорт веществ через клеточные мембраны. Соотношение количества энергии, проходящей через пастбищные и детритные цепи, в различных типах экосистем разное. Потеря энергии в пищевых цепях может быть восполнена только за счет поступления новых порций солнечной энергии или готового органического вещества (энергия корма). Поэтому в экосистеме не может быть круговорота энергии, аналогичного круговороту веществ. Экосистема функционирует только за счет направленного потока энергии.

Процент усвояемости вещества и энергии в разных цепях питания варьирует и зависит от состава корма и биологических особенностей организмов. Многочисленные исследования показали, что в пастбищных цепях переход энергии и вещества от одного трофического уровня к другому составляет в среднем 10 %. В одних цепях питания он может быть несколько выше, а в других — немного ниже. Американский эколог Р. Линдеман в 1942 г. сформулировал принцип преобразования энергии в экосистемах, получивший в экологической литературе название правило 10 % (его часто называют правилом Линдемана). Согласно правилу 10 %, при переходе с одного трофического уровня на последующий уровень в цепи питания передается в среднем около 10 % энергии без каких-либо неблагоприятных последствий для экосистемы. При этом имеется в виду часть энергии, поступившей с пищей, которую организм использует для построения органического вещества своего собственного тела.

Примеры решения задач на анализ превращения вещества и энергии в пастбищных цепях питания и на правило 10 % приведены в конце пособия в разделе «Методика решения задач (Б)».

Используя это правило, можно рассчитать примерное количество энергии на любом трофическом уровне цепи питания, если ее показатель известен на одном из них. С некоторой степенью допущения это правило используют и для определения перехода биомассы между трофическими уровнями.

Правило Линдемана неприменимо для этапов пастбищных цепей, включающих паразитов. Поскольку паразиты используют готовые питательные вещества хозяина, то эффективность их усвоения намного выше, чем при потреблении органического вещества корма другими организмами. Паразитам не нужно затрачивать энергию на процессы переваривания пищи, так как эту функцию выполняет хозяин. Получая питательные вещества от хозяина, паразит их практически полностью усваивает, поэтому он не теряет часть энергии в составе непереваренных остатков (экскрементов). Из этого следует, что в пищевых цепях, включающих паразитов, не будет соблюдаться правило Линдемана.

Некоторые ученые считают, что правило Линдемана соблюдается в экосистеме только при наличии оптимальных условий среды и при полной обеспеченности кормом.

Источник

Принцип построения экологических пирамид

Экологические пирамиды

План:

Экологические пирамиды биомассы и численности.

Принцип построения экологической пирамиды.

Перевёрнутые пирамиды.

Экологические пирамиды биомассы и численности

Эко­ло­ги­че­ские пи­ра­ми­ды — это гра­фи­че­ские мо­де­ли, отража­ю­щие число осо­бей (пи­ра­ми­да чисел), ко­ли­че­ство их био­мас­сы (пи­ра­ми­да био­масс) или за­клю­чён­ной в них энер­гии (пи­ра­ми­да энер­гии) на каж­дом тро­фи­че­ском уров­не и ука­зы­ва­ю­щие на по­ни­же­ние всех по­ка­за­те­лей с повыше­ни­ем трофи­че­ско­го уров­ня.

Различают три типа экологических пирамид: энергии, биомассы и численности.

Соотношение живого вещества на разных уровнях подчиняется в целом тому же правилу, что и соотношение поступающей энергии: чем выше уровень, тем ниже общая биомасса и численность составляющих её организмов.

Основание пирамиды образуют продуценты (растения).

Над ними располагаются консументы первого порядка (травоядные).

Следующий уровень представляют консументы второго порядка (хищники).

И так далее до вершины пирамиды, которую занимают наиболее крупные хищники. Высота пирамиды обычно соответствует длине пищевой цепи.

Пирамида биомасс показывает соотношение биомасс организмов разных трофических уровней, изображённых графически таким образом, что длина или площадь прямоугольника, соответствующего определённому трофическому уровню, пропорциональна его биомассе.

В любой трофической цепи не вся пища используется на рост особи, т. е. на формирование биомассы (часть её расходуется на удовлетворение энергетических затрат организмов: дыхание, движение, размножение, поддержание температуры тела и т. д.). Следовательно, в каждом последующем звене пищевой цепи происходит уменьшение биомассы.

Правило экологической пирамиды биомасс отражает закономерность, согласно которой в любой экосистеме биомасса каждого следующего звена в 10 раз меньше предыдущего.

Пирамида численности, или чисел — отображение числа особей на каждом из трофических уровней данной экосистемы.

Пирамиды чисел отражают только плотность населения организмов на каждом трофическом уровне, но не скорость самовозобновления (оборота) организмов.

Принцип построения экологических пирамид

Первое звено всякой цепи питания – превращение в процессе фотосинтеза световой энергии в химическую и образование органических веществ. При этом лишь 3 % световой энергии, попадающей на растение, переходит в потенциальную энергию органических веществ; остальная рассеивается в виде тепла. Каждое из последующих звеньев способно использовать лишь 5-12% энергии корма и превратить ее во вновь построенное вещество своего тела. Остальная энергия или превращается в тепло и рассеивается, или (чаще всего) просто не усваивается. В среднем коэффициент полезного действия каждого звена цепи не превышает 10%, что неизбежно ведет к уменьшению количества образующегося органического вещества на каждом последующем пищевом уровне. Поэтому типичная цепь питания состоит не более чем из четырех – шести взаимно связанных пищевых уровней.

Например, для образования 1 кг массы дельфина нужно около 10 кг съеденной рыбы, а этим 10 кг нужно 100 кг корма – водных позвоночных, которым, в свою очередь для образования такой массы необходимо съесть 1000 кг водорослей и бактерий. Если в соответствующем масштабе изобразить эти величины в порядке их зависимости, то действительно образуется своеобразная пирамида.

Пример:

Экологи подсчитали, что для того, чтобы прокормить в течении года мальчика весом в 45 кг. достаточно четырех с половиной телят общим весом в 1035 кг., а для них – 20 млн.растений люцерны с биомассой 8,2 тонн.

Используя данные примера, можно построить пирамиду биомассы, в которой учитывается суммарная масса организмов (биомасса) каждого трофического уровня.

Пирамида биомассы в случае цепи хищников имеет обычно форму треугольника с вершиной, обращенной вверх – устойчивая пирамида с широким основанием.

Для океана, как правило, такая закономерность не характерна. Только во время весны биомасса фитопланктона превышает биомассу зоопланктона. Другие же периоды действует обратное соотношение, на высших трофических уровнях преобладает тенденция к накоплению биомассы.

Источник

Экологическая пирамида: правило построения, примеры и значение

Что такое биологическая пирамида

В ее принцип построения положено взаимоотношение всех соседних слоев на основании их пищевых отношений. Массивную основу дает богатая биомасса (растения — на земле, водоросли — в воде), которая становится продуктом потребления для следующего верхнего слоя. Такой процесс питания верхнего (с меньшим количеством организмов) слоя низшим (более массивным) повторяется до верхушки пирамиды — высшего организма или особи.

Для более полной оценки существующих биогеоценозов и биоценозов с точки зрения их трофических отношений было выделено три фактора оценки. В основу брались их основные показатели и влияние на окружающую среду.

Разновидности пирамид по количеству:

• выделяемой и потребляемой энергии;
• биомассы;
• организмов (численности).

Энергии

Из этих трех типов схема потери/передачи энергии дает наиболее полное представление о функциональной организованности сообщества. Анализ ее работы показывает коэффициент полезного действия всей системы, качество и скорость обменных и природных процессов цепи.

Согласно расчетам специалистов, потребляемая и вырабатываемая энергия только одной десятой частью вливается в следующий уровень. Остальная ее часть идет на обеспечение всех процессов жизнедеятельности и излучается в окружающую среду в виде тепла.

Закон перехода энергии от слоя к слою (уровня к уровню) носит циклический характер с сохранением пропорции передачи и потребления энергии примерно 1:10.

Биомассы

Ее потеря от уровня к уровню обусловлена расходом ее энергетической ценности на функциональные энергозатраты организмов (особей): пищеварение, дыхание, выполнение всех двигательных функций и работу внутренних органов.

Численности

Низший слой всегда имеет большее количество особей и организмов в цепи (в перевернутых схемах наоборот).

Правило экологической пирамиды

Полезная масса нижнего уровня примерно в десять раз меньше (на 90 процентов), чем у соседнего верхнего.

Перевернутая пирамида

Принцип ее построения сохраняется и в том случае, если количественный состав продуцента меньше консументов первого уровня. Только на этот раз внизу оказывается вершина пирамиды (точка), а широкое основание — вверху.

На это влияет фактор численности организмов — от меньшего к большему.

Биомассы

В морях и океанах некоторым экосистемам свойственна перевернутая конфигурация рисунка. Это обусловлено особенностями их развития и взаимодействия.

Цепь питания

Основная потребность любого живого организма — питание. Исходя из принципа построения биологической трофической пирамиды, в этот процесс включены все виды — от простейших (бактерий) до высших (человека). В каждой отдельной экосистеме количество элементов (уровней) может колебаться от двух до 5—6 (в океане и более).

Линейная последовательность организмов, которые передают питательные вещества и энергию, начиная с продуцентов, высшим хищникам через других потребителей называется цепью питания.

Исходя из структуры и особенностей организмов, им требуется разная по содержанию полезных веществ (БЖУ, минеральных компонентов, витаминов) пища. Таким образом сложились различные цепи питания.

Различают два их основных вида:

• пастбищная пищевая цепь (цепь выедания );
• детритная (цепь разложения).

Пастбищная

Она заключается в последовательном переходе энергии, потребляемой в виде пищи. Состав первого продуцента (энергетика) — зеленые растения, съедобные для травоядных (травы, цветы, наземные овощные культуры).

• от растений ( продуцентов) к травоядным животным ( консументам первого порядка);
• те в качестве питания попадают к мелким хищникам (консументам второго порядка);
• они — к более крупным (третьего порядка).

Детритная

Ее структура имеет обратное движение энергии — от умерших крупных животных к м икроорганизмам, которые, перерабатывая останки, выделяют специальную субстанцию, называемую детритом.

На картинке пример такой цепи питания.

Примеры

Для понимания работы биосистем по принципу пирамиды рекомендуется ознакомиться с наглядными примерами, которые можно встретить в природе или в повседневной жизни.

На берегу моря после шторма можно наблюдать такую картину: большие стаи чаек кружат над самой водой и атакуют поднимающуюся к поверхности рыбу. Туда же устремляются местные ребята и на небольшой глубине ловят рыбу голыми руками.

Причина этого рыболовного ажиотажа в следующем:

1. Штормом к берегу прибивает большие скопления водорослей.
2. В их зарослях пребывает огромное количество креветок и мелкого биопланктона.
3. За этим богатством устремляется достаточное количество рыбы, которая путается и плещется в этих водорослях.
4. Замыкают трофическую пирамиду данной цепи питания чайки и удачливые рыболовы.

Следующий пример носит отпечаток антропогенного влияния на экосистему.

1. Пасущиеся в поле коровы (консументы 1 уровня) с аппетитом поедают траву (продуцент 1 уровня).
2. На выходе получается молоко, из которого делают кефир, сыр, сметану, масло. Они идут на питание человеку.
3. Но и саму корову могут употребить в пищу консументы высшего уровня: крупные хищники, или тот же человек.

Этот пример интересен тем, что корова одновременно становится участником и простой, и перевернутой схемы. Признак последней — меньшее количество питательных организмов на низшем трофическом уровне.

1. В природных условиях, если корова пасется за городом, она подвергается укусам большого количества комаров, оводов и слепней (консументов 1 трофического уровня).
2. Часть их будет съедена мелкими птицами: ласточками, лесными воробьями и т. п.(консументы 2 уровня).
3. Некоторые из них в свою очередь станут пищевой энергией для сов, соколиных, лис (консументы 3 уровня).

Значение

Использование закона ступенчатой зависимости уровней и влияние их численности и массы друг на друга позволяет ученым оценивать существующие биоценозы в каждом индивидуальном случае. Зная численность или биомассу одного уровня, учитывая антропогенно-природную обстановку местности, можно рассчитать численные значения всех остальных. Это позволяет существенно сократить временные и экономические расходы на научные исследования.

Эти методы расчетов могут применяться и в народном хозяйстве.

1. Выдалась сухая весна, и масса травяного покрова в определенном регионе резко упала от нормы.
2. Зная количество проживающих в ареале травоядных животных, можно рассчитать их потребность в траве и воде.
3. Это позволяет своевременно предпринять природоохранные меры — произвести подсев на определенной территории нужного количества трав и других пищевых растений.
4. Это в свою очередь обеспечит стабильность популяций организмов и особей всей трофической цепи биоценоза, сохранит их природные связи.

Применение правила экологической пирамиды позволяет в некоторых смежных вопросах решать экологические задачи.

1. По такому принципу можно регулировать уровень органических веществ в почве, численность животных и растений, если они ниже или выше нормы.
2. Решения многих экологических проблем напрямую связаны с правильно определенным изменением баланса пищевых цепей биоценозов.
3. Составление таблиц на основании данных биологической пирамиды наглядно показывают экологическую ситуацию в конкретном регионе. Это позволяет своевременно реагировать и принимать меры по восстановлению равновесия трофических классов.

Видео

Познавательный видеоурок по биологии — пример задачи по теме «Цепи питания».

Источник