2.4 Правило экологической пирамиды

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 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 рисунок 10.

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.

Пирамида энергии (или биопродукции) отражает законы передачи энергии в целях питания и всегда имеет вид треугольника с вершиной, обращенной вверх.

Приведем пример (продолжим пример с мальчиком, телятами и люцерной). Энергия, заключенная в люцерне массой 8,2 тонн, составляет 14,9 млн. калорий, в телятах (весом в 1035 кг.) содержится 1,19 млн. калорий, а в мальчике остается 8300 (мальчик ест мясо, но не кости, шкуру или шерсть, которые также содержат связанную энергию)

Построим пирамиду.

К основанию пирамиды можно добавить еще один прямоугольник, отображающий поступление солнечной 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.

Многие исследователи считают, что трофическая структура - фундаментальное свойство каждого сообщества, ибо после острого нарушения его трофическая структура возвращается к равновесию независимо от видового состава и быстрее его, т.е. трофическая структура обладает способностью восстанавливаться. И только если экосистема постоянно находится под стрессовым воздействием, трофическая структура может измениться по мере приспособления биотических компонентов экосистемы к хроническим нарушениям.

Органическое вещество, производимое автотрофами, называетсяпервичной продукцией. Скорость накопления энергии первичными продуцентами называется валовой первичной продуктивностью, а скорость накопления органических веществ – чистой первичной продуктивностью. ВПП примерно на 20 % выше, чем ЧПП, так как часть энергии растения тратят на дыхание. Всего растения усваивают около процента солнечной энергии, поглощённой ими.

Рисунок 11 Поток энергии через пастбищную пищевую цепь. Все цифры даны в кДж/м²·год.

При поедании одних организмов другими вещество и пища переходят на следующий трофический уровень. Количество органического вещества, накопленного гетеротрофами, называется вторичной продукцией. Поскольку гетеротрофы дышат и выделяют непереваренные остатки, в каждом звене часть энергии теряется. Это накладывает существенное ограничение на длину пищевых цепей; количество звеньев в них редко бывает больше 6. Отметим, что эффективность переноса энергии от одних организмов к другим значительно выше, чем эффективность производства первичной продукции. Средняя эффективность переноса энергии от растения к животному составляет около 10 %, а от животного к животному – 20 %. Обычно растительная пища энергетически менее ценна, так как в ней содержится большое количество целлюлозы и древесины, не перевариваемых большинством животных.

Изучение продуктивности экосистем важно для их рационального использования. Эффективность экосистем может быть повышена за счёт повышения урожайности, уменьшения помех со стороны других организмов (например, сорняков по отношению к сельскохозяйственным культурам), использования культур, более приспобленных к условиям данной экосистемы. По отношению к животным необходимо знать максимальный уровень добычи (то есть количество особей, которые можно изъять из популяции за определённый промежуток времени без ущерба для её дальнейшей продуктивности).

Знание законов продуктивности экосистем, возможность количественного учета потока энергии имеют важное прак­тическое значение. Первичная продукция агроценозов и эксплуатация человеком природных сообществ — основной источник пищи для человека. Важное значение имеет и вто­ричная продукция биоценозов, получаемая за счет промыш­ленных и сельскохозяйственных животных, как источник животного белка. Знание законов распределения энергии, потоков энергии и вещества в биоценозах, закономерностей продуктивности растений и животных, понимание пределов допустимого изъятия растительной и животной биомассы из природных систем позволяют правильно строить отноше­ния в системе «общество — природа».

Список литературы

1. Н.В. Чебышев, С. В. Кузнецов, С. Г. Зайчикова «Биология. Пособие для поступающих в вузы» Москва «Новая волна» 2001 г.

2. Т. Л. Богданова, Е. А, Солодова «Биология. Справочник для старшеклассников и поступающих в вузы» Москва «АСТ – ПРЕСС» 2001 г.

3. Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек. – М., 2000.

4. Одум Ю. Основы экологии. М., 1975

5. Уиттекер Н.М. Сообщества и экосистемы. – М., 1980.

6. Энциклопедия «Кругосвет» CD

7. Справочник по биологии под редакцией Л. И. Белецкая Киев «Наукова думка»

8. Учебник 9-10 кл. «Общая биология» под редакцией Полянского Ю. И.

9. Интернет (www.nature.uz, www.ebio.ru, www.burenina.narod.ru , elib.ispu.ru)

35