Зачем нужны и что отражают правила экологических пирамид

При незначительных изменениях равновесие восстанавливается

Если с одним звеном пищевой цепи (группой организмов) в экосистеме происходят изменения, это влияет и на остальные звенья. Незначительные отклонения случаются в природе постоянно, и нарушенное равновесие обычно восстанавливается. Если, например, возрастает численность животных, являющихся добычей хищников, то увеличивается также численность хищников, поскольку они получают больше пищи и их потомство имеет больше шансов выжить. Если хищников становится много, им требуется больше пищи, которой на всех может не хватить, поскольку их добычей становится все большее количество других животных. Вследствие этого способность хищников к размножению понижается, они становятся восприимчивыми к заболеваниям, что в результате приводит к сокращению их численности. Когда количество животных возвращается к прежнему уровню, восстанавливается и равновесие экосистемы. Так происходит саморегуляция экосистемы.

Если возрастает численность животных, являющихся добычей хищников, то увеличивается также численность хищников, поскольку они получают больше пищи и их потомство имеет больше шансов выжить

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.

Виды

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.

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

Что такое экологическое равновесие?

Организмы в экосистеме связаны через пищевые цепи и сети, в которых существование и численность каждого вида зависят от других организмов. Посредством этих взаимосвязей в экосистеме формируется экологическое (природное) равновесие, т. е. относительное постоянство состава экосистемы во времени. Численность растений (продуцентов) определяет, сколько в данном сообществе может жить растительноядных, а от них зависит, сколько плотоядных (консументов) сможет в нем существовать. Постоянная смертность организмов компенсируется рождаемостью. Благодаря этому поддерживается относительное постоянство видового состава и численности особей в сообществе на протяжении длительного времени.

Организмы в экосистеме связаны через пищевые цепи и сети, в которых существование и численность каждого вида зависят от других организмов

На чем основано формирование пирамиды мирового океана

Только 0,02% этой энергии используется для нужд фотосинтеза. Чтобы её собрать, достаточно, чтобы 1 кв.см. поверхности получил в течение дня 0,06 калорий. Однако зимой в полярных областях океана фотосинтез полностью прекращается. Фотохимические реакции не идут, если интенсивность светового потока падает ниже 0,18 калории на квадратный сантиметр в час.

Главная часть работы по синтезу органических веществ возложена в океане на мелкие и мельчайшие водоросли размером от 0,001 до 1,0 мм. Большинство одноклеточных водорослей относится к диатомеям и периденеям. Их в океане свыше 1400 видов.

Несмотря на крохотные размеры, они в течение года синтезируют 500 млрд. т. органического вещества. Продовольственное снабжение не случайно возложено на плечи таких крошек.

Для содержания высокого уровня фотосинтеза необходимо большое количество солнечной энергии, а для её сбора большие светоприёмники.

Наземные растения улавливают солнечные лучи с помощью листьев, представляющих собой тонкие пластины. Водоросли океана пошли путём миниатюризации. Чем меньше организм, тем больших величин достигает у него соотношение площади тела к объёму. Для утилизации солнечных лучей оптимальными являются микроскопические размеры тела одноклеточных водорослей и их равномерное распределение в поверхностных слоях воды.

Некоторое количество органического вещества создают бактерии, живущие в верхних слоях океана и в донных осадках. Синтетические процессы в и теле протекают без участия солнечной энергии. Пока не удалось определить, какое количество органики они создают. Однако объём производимой ими продукции не идёт ни в какое сравнение с продуктивностью водорослей.

*Экологические пирамиды

Если на каждом трофическом уровне пищевой цепи определить число особей или их биомассу (количество накопленного органического вещества), или количество заключенной в ней энергии, то станет очевидным уменьшение этих величин по мере продвижения к концу цепи питания. Эту закономерность впервые установил британский эколог Ч. Элтон в 1927 г. Он назвал ее правилом экологической пирамиды и предложил выражать графически. Если любую из вышеуказанных характеристик трофических уровней изобразить в виде прямоугольников с одинаковым масштабом и расположить их друг над другом соответственно порядку трофических уровней в цепи питания, то получится экологическая пирамида.

Известны три типа экологических пирамид — чисел, биомассы, энергии. Пирамида чисел отражает среднее число особей на каждом трофическом уровне пищевых цепей, необходимых для питания организмов, находящихся на последующем трофическом уровне.

Однако в некоторых цепях питания второй трофический уровень (консументы I порядка) численно может быть богаче первого трофического уровня (продуцентов). Примером может служить цепь питания, состоящая из лиственных деревьев, листогрызущих насекомых, мелких насекомоядных и крупных хищных птиц. В этом случае пирамида чисел получится неправильной формы. Но, если на первом трофическом уровне мы укажем не число деревьев, а количество листьев, съеденных гусеницами, которые служат кормом синицам в цепи питания (листья дуба → гусеницы → синицы), пирамида чисел будет иметь правильную форму.

Пирамида биомассы отражает количество органического вещества, накопленного на каждом трофическом уровне пищевой цепи. Пирамида биомассы в наземных экосистемах имеет правильную форму. А в водных экосистемах биомасса второго трофического уровня, как правило, больше биомассы первого при определении ее в конкретный момент. Поэтому пирамида биомассы для водных экосистем получается перевернутой. Но, поскольку водные продуценты (фитопланктон) имеют высокую скорость образования продукции при небольшом запасе собственной биомассы, то в конечном итоге их суммарная биомасса за сезон или за год все равно будет больше биомассы консументов I порядка. А это значит, что в водных экосистемах по биомассе также соблюдается правило экологической пирамиды.

Пирамида энергии отражает количество энергии, содержащейся в органическом веществе каждого трофического уровня цепи питания. Ее форма свидетельствует о закономерном расходовании энергии при переходе от одного трофического уровня к другому.

Таким образом, запас вещества и энергии, накопленный растениями в пастбищных пищевых цепях, быстро расходуется (выедается), поэтому эти цепи не могут быть длинными. Обычно они включают от трех до пяти трофических уровней.

Уровни экологической пирамиды

Экологическая пирамида состоит из 4 горизонтальных столбцов одинаковой толщины, но уменьшающегося размера, в которых каждый раздел показывает передачу энергии на следующий уровень через пищу.

На каждом уровне цепочки это называется ссылка.

производители

первая ссылка Именно основание пирамиды (самая широкая область) занимают производители, организмы, которые используют энергию, получаемую при фотосинтезе, синтезируют сложные органические вещества из простого неорганического вещества (Lindeman, 2017). Производителями являются автотрофные организмы, такие как растения, монады и протисты..

Производители собирают солнечную энергию через листья, снабженные хлоропластами, которые превращают неорганические вещества почвы (такие как вода, минералы и углекислый газ) в органические соединения (глюкоза) благодаря механизму фотосинтеза..

Основные потребители

В вторая ссылка Появляются первичные потребители, травоядные особи и гетеротрофные растения, которые питаются производителями (растения, бактерии и грибы).

Потребители этого типа окисляют значительное количество энергии, получаемой в форме кинетической энергии, для их метаболического функционирования, такого как дыхание, бег, размножение; а остальное превращается в сложные химические вещества для вашего тела (Линдеман, 2017).

Вторичные потребители

В третья ссылка Трофически мы находим вторичных потребителей, которые являются хищными животными, которые питаются травоядными. Как и последние, их расход энергии происходит в процессе метаболизма.

Третичные потребители

Приближаясь к куполу пирамиды, появляются третичные потребители, которые питаются вторичными потребителями или другими хищниками.

Мусорщики являются одним из его членов, но не единственными. Например, орел, который ест змею, которая в свою очередь питается мышью.

Некоторые ограничения

Хотя все три вида очень специфичны для аспекта экосистемы, которую они хотят описать, все они всё ещё имеют тенденцию не замечать важные аспекты. Некоторые из этих ограничений следующие:

Эти виды применимы только в простых пищевых цепях, которые не обязательно встречаются в природе. Они также не учитывают возможное присутствие одного и того же вида на разных трофических уровнях.
Более того, ни одна из трёх экологических пирамид не даёт представления о разнице времён года и климата.
Другим организмам, таким как микроорганизмы и грибы, не отводится особой роли в пирамидах, несмотря на их жизненно важную роль в экосистемах.
Они не учитывают один и тот же вид, принадлежащий двум или более трофическим уровням.

https://youtube.com/watch?v=ADsE9_jQg4A

Предыдущая
БиологияСтроение сфагнума — внешний вид и особенности болотного мха
Следующая
БиологияЛизосомы в биологии — особенности строения и основные функции

Значение пирамид

Что отражают правила экологических пирамид, мы разобрали. Но зачем нам эти знания? Пирамиды чисел и биомассы позволяют решить некоторые практические задачи, так как они описывают статическое и устойчивое состояние системы. Например, их используют при расчете допустимых величин вылова рыбы или подсчета количества животных для отстрела, чтобы не нарушить устойчивость экосистемы и определить максимальный размер той или иной популяции особей для данной экосистемы во всей ее совокупности. А пирамида энергий дает четкое представление об организации функциональных сообществ, позволяет сравнить различные экосистемы по их продуктивности.

Теперь читатель не растеряется, получив задание типа «опишите, что отражают правила экологических пирамид», и смело ответит, что это потери вещества и энергии в конкретной трофической цепочке.

Пирамида численности

Хотя пищевая сеть полнее и точнее отражает существующие в природе взаимосвязи, чем пищевые цепи, но она также показывают лишь кто кого ест. Ни одна из них не содержит информации о численности или массе входящих в них организмов.

Поэтому пищевые отношения представляют также в виде пирамиды, в которой организмы располагаются на разных ступенях в соответствии с их местом в пищевой цепи: на нижней ступени находятся продуценты, на второй – растительноядные животные и на высшей ступени – плотоядные животные.

Самая простая экологическая пирамида – пирамида численности, показывающая количество находящихся на каждой ступени организмов. Ширина ступени пирамиды показывает, сколько организмов обитает на определенной площади. Наименьшая численность организмов наблюдается на самой высокой ступени, поскольку хищников меньше, чем их жертв. Например, в саваннах обитают огромные стада растительноядных антилоп и лишь единичные особи львов. Размеры занимающих высшую ступень организмов, как правило, превышают размеры организмов предыдущей ступени.

Однако не все пирамиды численности имеют одинаковую форму. Если мы нарисуем, например, пирамиду численности цепи питания дерева, то ее нижняя ступень будет очень маленькой, поскольку дерево выглядит огромным по сравнению с насекомым, и на нем может обитать великое множество насекомых. Численность будет сокращаться в направлении верхушки дерева лишь на ступенях консументов.

Пирамида численности

Пирамида численности одного дерева

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.

Например:

Выдалась сухая весна, и масса травяного покрова в определенном регионе резко упала от нормы.
Зная количество проживающих в ареале травоядных животных, можно рассчитать их потребность в траве и воде.
Это позволяет своевременно предпринять природоохранные меры — произвести подсев на определенной территории нужного количества трав и других пищевых растений.
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.

Например:

По такому принципу можно регулировать уровень органических веществ в почве, численность животных и растений, если они ниже или выше нормы.
Решения многих экологических проблем напрямую связаны с правильно определенным изменением баланса пищевых цепей биоценозов.
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.

Типы пирамид

1- Пирамиды чисел

Это графическое представление в форме пирамиды, которое показывает отношение пищи числа особей каждого вида или популяции в каждой ссылке.

Цифровая пирамида может быть использована для определения того, насколько популяция определенных видов может влиять на другую (Corwin, 2017).

Пирамида чисел особей в экосистеме почти всегда согласуется с правилом 10% (Mata & Quevedo, 1990): передача энергии с одного уровня на другой составляет примерно такой процент, как мы объясняли изначально.

Прямые или от поставщиков: Количество производителей больше, чем травоядных и плотоядных. Это традиционный и помогает поддерживать баланс экосистемы.
Обратный или паразиты и суперпаразиты: Число особей верхних звеньев больше, чем у нижних. Это может быть представление об экосистеме, где количество плотоядных животных увеличивается, а травоядных животных мало из-за нехватки растений. В этой ситуации создаются паразитические отношения.

2- Пирамиды биомассы

Это графическое представление потока энергии через биотрофную или пищевую цепь (Mata & Quevedo, 1990). Другими словами, пирамида биомассы представляет количество массы или живого вещества, которое существует в каждом трофическом звене..

Для расчета этого показателя вес индивидуумов учитывается так, как если бы они были обезвожены, без необходимости жертвовать ими. Выражается в единицах массы / единиц поверхности или объема, то есть г / см2, кг / м2, г / см3, кг / м3 (Национальный автономный университет Мексики, 2017 г.).

Форма этой пирамиды может быть прямой или перевернутой, как с энергетической пирамидой.

Прямая пирамида биомассы иллюстрирует случаи, когда количество биомассы производителей больше, чем у потребителей.

Перевернутая пирамида биомассы это обычно в водных экосистемах, потому что количество производителей (фитопланктон) намного меньше, чем количество его потребителей.

Важно отметить, что пирамида чисел и биомассы указывают только количество материала, присутствующего в течение короткого периода.. Количество вещества, присутствующего в любое время, известно как собираемая биомасса и не указывает на общее количество произведенного материала или скорость, с которой этот материал производится (Phillipson, 1966, стр

14).

Количество вещества, присутствующего в любое время, известно как собираемая биомасса и не указывает на общее количество произведенного материала или скорость, с которой этот материал производится (Phillipson, 1966, стр. 14)..

3- Энергетические пирамиды

Это графическое представление количества полной энергии, потребляемой на каждом трофическом уровне. Этот график показывает распределение энергии, поставляемой солнцем в трофической цепи экосистемы. Используемые единицы: калории и / или джоули (Национальный автономный университет Мексики, 2017).

Эта пирамида всегда идет прямо, потому что у Производителей всегда будет больше энергии, если она не будет потеряна при переходе от одной ссылки к другой..

ссылки

Колледж бакалавров штата Синалоа. (2008). 1.4 Экосистемы. В кл. Д. Синалоа, Экология и окружающая среда (стр. 22-26). Эрмосильо: колледж бакалавров штата Синалоа.
Корвин А. (2017, 7 5). Экологические Пирамиды. Взято из Академии Гулда: gouldacademy.instructure.com.
Mata, A. & Quevedo, F. (1990). Пирамиды биомассы. В А. Мата и Ф. Кеведо, Дидактический словарь по экологии (стр. 354). Коста-Рика: Редакция Университета Коста-Рики.
Филлипсон Дж. (1966). Экологические пирамиды. В J. Phillipson, Экологическая энергетика (стр. 12-15). Лондон: Эдвард Арнольд Лтд.
Национальный автономный университет Мексики. (2017, 7 5). Экологические пирамиды Взято из Академического портала Национального университета Мексики: portalacademico.cch.unam.mx.

Правило Элтона

Это правило гласит, что количество особей в последовательной трофической цепи уменьшается от уровня к уровню. Правила экологической пирамиды — это количественное соотношение продукции всех уровней конкретной цепи питания. Оно говорит, что показатель уровня цепи приблизительно в 10 раз будет меньше такого показателя на предыдущем уровне.

Приведенным простой пример, который расставит все точки над «и». Рассмотрим трофическую цепочку водоросли – беспозвоночные рачки – сельдь – дельфин. Сорокакилограммовому дельфину, чтобы прожить, необходимо съесть 400 килограммов сельди. А для того, чтоб существовали эти 400 килограммов рыбы, необходимо порядка 4 тонн их пищи – беспозвоночных рачков. Для образования 4 тонн рачков необходимо уже 40 тонн водорослей. Вот что отражают правила экологической пирамиды. И только в таком соотношении эта экологическая структура будет устойчивой.

*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.

Цепи и сети питания. Экологическая пирамида

Раздел ЕГЭ: 7.2. … Трофические уровни. Цепи и сети питания, их звенья. Правила экологической пирамиды. Составление схем передачи веществ и энергии (цепей питания)

Цепи и сети питания

Цепь питания — последовательность организмов, в которой происходит поэтапный перенос вещества и энергии от источника к потребителю. Каждое предыдущее звено является пищей для следующего.

Виды цепей питания:

Пастбищные (цепь выедания). Начинаются с продуцентов и включают консументов разных порядков.
Детритные (цепь разложения). Начинаются с детрита, включают детритофагов и редуцентов и заканчиваются минеральными веществами.

Пищевая (трофическая) цепь — ряд взаимосвязанных видов, каждый из которых служит пищей предыдущему. В реальных биогеоценозах комплексы взаимосвязанных трофических цепей образуют пищевые сети.

Сети питания — сложившиеся в процессе эволюции взаимоотношения в экосистемах, при которых многие компоненты питаются разными объектами и сами служат пищей различным членам экосистемы.

Для существования и развития экосистем необходим постоянный прилив солнечной энергии, усвоение которой обеспечивают продуценты. В большинстве экосистем биомасса и заключенная в ней энергия уменьшается на каждом новом уровне приблизительно в десять раз.

Трофический уровень — единица, обозначающая удалённость организма от продуцентов в пищевой (трофической) цепи. Слово трофический происходит от греческого τροφή — еда.

Все экосистемы связаны между собой круговоротом веществ, реализуемым через пищевые сети (и благодаря атмосферным и геологическим явлениям). Пищевые связи в экосистемах характеризуют, используя экологические пирамиды.

Экологическая пирамида

Экологическая пирамида — закономерность, отражающая соотношение по пищевым уровням продуцентов и консументов различного порядка.

Типы пирамид:

Пирамида энергии. Закономерность, согласно которой поток энергии постепенно уменьшается и обесценивается при переходе от звена к звену в цепи питания.

Пирамида биомассы. Закономерность, согласно которой каждый последующий пищевой уровень имеет массу в 10 раз меньшую, чем предыдущий.

Пирамида чисел. Закономерность, отражающая число особей на каждом пищевом уровне. Главная тенденция — уменьшение числа особей от звена к звену.

Правило экологической пирамиды: на каждом предыдущем трофическом уровне количество биомассы, образованной за единицу времени, больше, чем на последующем, в 10 раз.

Так как биомасса по мере продвижения на высшие трофические уровни уменьшается в геометрической прогрессии, их общее количество обычно не превышает трех-пяти.

Это конспект для 10-11 классов по теме «Цепи и сети питания. Экологическая пирамида». Выберите дальнейшее действие:

Вернуться к Списку конспектов по Биологии.
Найти конспект в Кодификаторе ЕГЭ по биологии