Экологическая пирамида энергии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание.

Введение.......................................................................................................................3

1. Правило десяти процентов.....................................................................................4

2. Экологическая пирамида  энергии..........................................................................5

Заключение.................................................................................................................11

Список использованной литературы.......................................................................12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В природе виды животных и растений распределяются не случайно; они всегда образуют определенные, сравнительно постоянные комплексы – сообщества. Мы их хорошо различаем в обыденной жизни, называя лесом, лугом, болотом, степью. Состав таких сообществ обусловлен не только сходством потребностей входящих в них видов к физическим условиям мест обитания, но и тесной зависимостью друг от  друга. Функциональную систему, включающую в себя сообщество живых существ и их среду обитания, называют экологической системой. Связи между компонентами ее возникают прежде всего на основе пищевых связей и способов получения энергии.

         По способу получения и использования питательных материалов и энергии все организмы разделяются на две резко различные группы – автотрофы и гетеротрофы. В процессе питания  аэробные гетеротрофы в конечном счете разлагают органическое вещество до углекислоты, воды и минеральных солей, т.е.веществ, пригодных для повторного использования автотрофами. В некоторые экосистемы (например, в почву) входят и анаэробные микроорганизмы.

         Таким образом, в природе возникает  непрерывный круговорот биогенных веществ: необходимые для жизни химические вещества извлекаются автотрофами из окружающей среды и через ряд  гетеротрофов вновь в нее возвращаются.  Для  осуществления этого процесса необходим постоянный приток энергии извне. Его источником служит  лучистая энергия Солнца.

          Круговорот веществ возник в процессе эволюции  как необходимое условие существования жизни.

         Движение вещества, вызванное деятельностью организмов, происходит циклически, и оно может быть использовано вновь и вновь, а энергия в этом процессе представлена однонаправленным потоком.

 

 

1. Правило десяти процентов.  

В США в 1942 году была напечатана статья молодого гидробиолога Р. Линдемана "Трофико-динамическое направление в экологическом исследовании", которая сыграла большую роль в изучении потоков вещества и энергии в экосистеме; установлено знаменитое "правило Линдемана" ("правило 10 процентов").

На каждом этапе передачи вещества и энергии по пищевой цепи теряется примерно 90%, и только около одной десятой доли переходит к очередному потребителю. Это правило передачи энергии в пищевых связях организмов называют «правилом десяти процентов».  

ПРАВИЛО ДЕСЯТИ ПРОЦЕНТОВ - среднемаксимальный переход с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой 10% (от 7 до 17%) энергии (или вещества в энергетическом выражении), как правило, не ведет к неблагоприятным для экосистемы (и теряющего энергию трофического уровня) последствиям.

Представителям четвертого трофического уровня (например, хищнику, поедающему другого хищника) достанется только около одной тысячной доли той энергии, усвоенной растением, с которого начиналась пищевая цепь. Поэтому отдельные цепи питания в природе не могут иметь слишком много звеньев, энергия в них быстро иссякает.

Рис. 1. Поток энергии через типичную пищевую цепь.

2. Экологические пирамиды энергии.

Для осуществления любых жизненных процессов необходима энергия. Единственным источником энергии для земных растений является Солнце. Солнечная энергия, попадающая на фотосинтезирующие органы растений, аккумулируется во вновь образующихся органических соединениях. Эта энергия используется продуцентами по-разному. Часть ее тратится на дыхание, т.е. на биологическое окисление, часть запасается в виде вновь возникшей биомассы.

Биомасса – это масса организмов определенной группы или сообщества в целом. Некоторую долю созданной продуцентами биомассы съедают травоядные животные. Хищники потребляют травоядных животных и получают долю энергии. Большая часть энергии, полученная консументами с пищей, тратится на процессы, происходящие в клетках, а также выводится с продуктами жизнедеятельности в окружающую среду. Меньшая часть энергии идет на увеличение массы тала, рост и размножение. Часть биомассы продуцентов, не съеденная животными, отмирает, и с отмершей биомассой аккумулированная в ней энергия поступает в почву в виде растительного опада.

Растительный и животный опад (трупы, экскременты) пища редуцентов.  Определенное количество энергии запасается в биомассе редуцентов, а часть рассеивается. Таким образом, энергия аккумулируется на уровне продуцентов, проходит через консументы и редуценты, входит в состав органических веществ, почвы, и рассеивается при разрушении ее разнообразных соединений. Через любую экосистемы проходит поток энергии, определенная часть которого используется каждым живым существом.

Биомасса представляет собой концентрацию живого вещества. Вторым важным показателем экосистемы является продуктивность, которая выражается в скорости нарастания биомассы. За счет фотосинтеза на Земле создается 98 % органического вещества; 2 % приходится на хемосинтез. Различают валовую первичную продукцию (ВПП), которая представляет собой все органическое вещество экосистемы с затратами на дыхание. Чистая первичная продукция (ЧПП) – это то количество органического вещества, которое остается в экосистеме после затрат на дыхание. Формулой это можно выразить так:

 

ЧПП = ВПП – затраты на дыхание.

 

ЧПП очень различается в разных экосистемах. Например, на коралловых рифах она составляет 2500 г/м кв. в год, во влажных тропических лесах – 2300 г/м кв. в год. Коралловые рифы и влажные тропические леса являются самыми продуктивными экосистемами. Наиболее бедными экосистемами являются открытый океан (125 г/м кв. в год) и пустыня (3 г/м кв. в год).

Цепь питания – перенос энергии от его источника через ряд организмов. Все живые организмы связаны между собой энергетическими отношениями, поскольку являются объектами питания других организмов. Травоядные животные (потребители первого порядка) поедают растения, первичные хищники (потребители второго порядка) поедают травоядных, вторичные хищники (потребители третьего порядка) поедают хищников помельче.

Таким образом, создаются пищевые цепи из продуцентов и консументов, которые на разных этапах смыкаются с сообществом редуцентов.

Цепи питания представляют собой возможные варианты поедания организмами друг друга. Цепи питания, как правило, состоят из трех звеньев:

 

Продуценты -> консументы -> редуценты -> неорганические вещества

 

Приведем несколько примеров пищевых цепей, где для удобства изображения опустим группу редуцентов, представленных бактериями.

 

В лесу: малина -> рыжая полевка -> ушастая сова

 

На лугу: трава -> корова -> блоха -> паразитирующее простейшее

 

В озере: диатомовая водоросль -> дафния -> карась

 

Приведенные пищевые цепи конечно являются крайне упрощенными. На практике цепи питания разветвляются и образуют пищевую сеть, так как каждый из консументов не может потреблять в пищу только один вид организмов.

 

Рис. 2. Пищевые цепи

 

Каждый из уровней питания называется трофическим уровнем. Фактически при поедании организмами друг друга по трофическим уровням переносится энергия. В каждом последующем трофическом звене количество энергии убывает. Это связано с тем, что какое-то количество энергии, поступившей в трофический уровень, всегда будет рассеиваться в виде тепла.

Состояние экосистемы описывается с помощью экологической пирамиды.  Экологическая пирамида представляет собой график состояния каждого трофического уровня. Эти графики строятся на основе изменения в каждом последующем трофическом уровне таких показателей как численность на единицу площади; биомассе на единицу площади, энергии. Пирамиды, построенные на основе изменений численности и биомассы могут иметь перевернутый вид, а на основе изменений энергии – никогда.

В классической пирамиде каждое следующее основание меньше предыдущего.  

При составлении экологической пирамиды в нижних основаниях пирамиды оказываются продуценты, а вверху – консументы.

Основание пирамиды образуют растения-продуценты. Над ними располагаются фитофаги. Следующее звено представлено консументами второго порядка. И так далее до вершины пирамиды, которую занимают наиболее крупные хищники. Высота пирамиды обычно соответствует длине пищевой цепи. И поскольку на верхние этажи пирамиды энергия доходит в очень малых количествах, цепь редко состоит более чем из 5—6 звеньев.

Экологические пирамиды могут быть 3 видов:

1.Пирамида чисел - отражает количественное распределение отдельных организмов на трофических уровнях. Особенностью такой пирамиды является уменьшение численности организмов при движении от продуентов к консументам. Эта закономерность объясняется тем, что в любой экосистеме мелкие животные численно превосходят крупных и размножаются быстрее. Для любого хищника существует нижний и верхний предел размеров их жертв, каждому хищнику служат пищей жертвы определенного размера.

Вторая пирамида - обращенная, так как в лесных пастбищных пищевых цепях продуценты - это деревья, а первичные консументы - это насекомые. Уровень первичных консументов по численности превышает уровень продуцентов.

2.Пирамида биомассы - показывает соотношение общего количества живого вещества на трофических уровнях пищевой цепи. Может иметь две графические разновидности - правильная и обращенная. Наблюдаются следующие закономерности: пирамиды с широким основанием и узкой вершиной характерны для наземных и мелководных экосистем, в которых продуценты имеют крупные размеры и живут сравнительно долго. В молодых экосистемах вершина пирамиды более узкая, чем в зрелых; пирамида может быть обращенной в открытых и глубоких водах, где продуценты невелики по размеру и малодолговечны. Пирамида биомассы отличается промежуточным характером в озерах и прудах, так как здесь равноценны роли продуцентов, то есть крупных прикрепленных растений и микроскопических водорослей.

3.Пирамида энергии - величина потока энергии, проходящего через различные трофические уровни. В отличие от пирамиды чисел или биомассы, характеризующих статику экосистемы, пирамида энергии характеризует динамику прохождения массы пищи через пищевую цепь. На ее форму не влияют ни размеры особей, ни интенсивность их метаболизма. Кроме того, пирамида чисел преувеличивает роль мелких организмов, пирамида биомассы преувеличивать роль крупных. Поэтому пирамида энергии является наиболее универсальной характеристикой для сравнения потока энергии, проходящего через разные уровни, а также для сравнения одной экосистемы с другой.

 

Рис. 3. Экологическая пирамида энергии.

 

Изучение экологических пирамид позволяет оценивать состав и особенности функционирования целых экосистем или их отдельных частей, а также определять степень антропогенного воздействия на отдельные организмы или экосистему в целом.

Самым фундаментальным способом отражения связей между организмами разных трофических уровней и функциональной организации биоценозов является пирамида энергий, в которой размер прямоугольников пропорционален энергетическому эквиваленту в единицу времени, т. е. количеству энергии (на единицу площади или объема), прошедшей через определенный трофический уровень за принятый период. К основанию пирамиды энергии можно обоснованно добавить снизу еще один прямоугольник, отражающий поступление энергии Солнца.

Пирамида энергий отражает динамику прохождения массы пищи через пищевую (трофическую) цепь, что принципиально отличает ее от пирамид численности и биомасс, отражающих статику системы (количество организмов в данный момент). Если учтены все источники энергии, то пирамида всегда будет иметь типичный вид (в виде пирамиды вершиной вверх), согласно второму закону термодинамики.

Пирамиды энергий позволяют не только сравнивать различные биоценозы, но и выявлять относительную значимость популяций в пределах одного сообщества. Они являются наиболее полезными из трех типов экологических пирамид, однако получить данные для их построения труднее всего.

Рис. 4. Пример экологической пирамиды энергии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Из трех типов экологических пирамид пирамида энергии дает наиболее полное представление о функциональной организации сообществ. Число и масса организмов, которых может поддерживать какой-либо уровень в тех или иных условиях, зависит не от количества фиксированной энергии, имеющейся в данное время на предыдущем уровне, а от скорости продуцирования пищи. В противоположность пирамидам численностей и биомассы, отражающим статику системы (т.е. характеризующим количество организмов в данный момент), пирамида энергии отражает картину скоростей прохождения массы пищи через пищевую цепь. На форму этой пирамиды не влияют изменения размеров и интенсивности метаболизма особей, и если учтены все источники энергии, то пирамида всегда будет иметь "правильную форму", как это диктуется вторым законом термодинамики. Концепция потока энергии не только позволяет сравнивать экосистемы между собой, но и дает средство для оценки относительной роли популяций в их биотических сообществах.