Экологические пирамиды численности, биомассы, энергии

Экологические пирамиды

Экологическая пирамида - графические изображения соотношения между продуцентами и консументами всех уровней (травоядных, хищников; видов, питающихся другими хищниками) в экосистеме.

Схематически изображать эти соотношения предложил американский зоолог Чарльз Элтон в 1927 году.

При схематическом  изображении каждый уровень показывают в виде прямоугольника, длина или  площадь которого соответствует  численным значениям звена пищевой  цепи (пирамида Элтона), их массе или энергии. Расположенные в определенной последовательности прямоугольники создают различные по форме пирамиды.

Основанием пирамиды служит первый трофический уровень - уровень продуцентов, последующие  этажи пирамиды образованы следующими уровнями пищевой цепи - консументами различных порядков. Высота всех блоков в пирамиде одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне.

Правило экологической  пирамиды Показатель каждого уровня экологической пирамиды приблизительно в 10 раз меньше предыдущего

Экологические пирамиды различают в зависимости от показателей, на основании которых строится пирамида. При этом для всех пирамид установлено  основное правило, согласно которому в  любой экосистеме больше растений, чем животных, травоядных, чем плотоядных, насекомых, чем птиц.

На основе правила  экологической пирамиды можно определить или рассчитать количественные соотношения  разных видов растений и животных в естественных и искусственно создаваемых  экологических системах. Например, 1 кг массы морского зверя (тюленя, дельфина) нужно 10 кг съеденной рыбы, а этим 10 кг нужно уже 100 кг их корма - водных беспозвоночных, которым в свою очередь  для образования такой массы  необходимо съедать 1000 кг водорослей и  бактерий. В данном случае экологическая  пирамида будет устойчива.

Однако, как известно, из каждого правила бывают исключения, которые будут рассмотрены в  каждом типе экологических пирамид.

 

 

Типы экологических  пирамид

1. пирамиды чисел - на каждом уровне откладывается численность отдельных организмов

Пирамида чисел  отображает отчетливую закономерность, обнаруженную Элтоном: количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается (рис.3).

Например, чтобы  прокормить одного волка, необходимо по крайней мере несколько зайцев, на которых он мог бы охотиться; чтобы прокормить этих зайцев, нужно довольно большое количество разнообразных растений. В данном случае пирамида будет иметь вид треугольника с широким основанием суживающимся кверху.

Однако подобная форма пирамиды чисел характерна не для всех экосистем. Иногда они  могут быть обращенными, или перевернутыми. Это касается пищевых цепей леса, когда продуцентами служат деревья, а первичными консументами - насекомые. В этом случае уровень первичных консументов численно богаче уровня продуцентов (на одном дереве кормится большое количество насекомых), поэтому пирамиды чисел наименее информативны и наименее показательны, т.е. численность организмов одного трофического уровня в значительной степени зависит от их размеров.

2. пирамиды биомасс - характеризует общую сухую или сырую массу организмов на данном трофическом уровне, например, в единицах массы на единицу площади - г/м², кг/га, т/км² или на объем - г/м³ (рис.4)

Обычно в наземных биоценозах общая масса продуцентов  больше, чем каждого последующего звена. В свою очередь, общая масса  консументов первого порядка больше, нежели консументов второго порядка и т.д.

В данном случае (если организмы не слишком различаются  по размерам) пирамида также будет  иметь вид треугольника с широким  основанием суживающимся кверху. Однако и из этого правила имеются  существенные исключения. Например, в  морях биомасса растительноядного  зоопланктона существенно (иногда в 2-3 раза) больше биомассы фитопланктона, представленного преимущественно  одноклеточными водорослями. Это объясняется  тем, что водоросли очень быстро выедаются зоопланктоном, но от полного  выедания их предохраняет очень высокая скорость деления их клеток.

В целом для наземных биогеоценозов, где продуценты крупные  и живут сравнительно долго, характерны относительно устойчивые пирамиды с  широким основанием. В водных же экосистемах, где продуценты невелики по размеру и имеют короткие жизненные  циклы, пирамида биомасс может быть обращенной, или перевернутой (острием  направлена вниз). Так, в озерах и  морях масса растений превышает  массу потребителей только в период цветения (весной), а в остальное  время года может создаться обратное положение.

Пирамиды чисел  и биомасс отражают статику системы, т. е. характеризуют количество или  биомассу организмов в определенный промежуток времени. Они не дают полной информации о трофической структуре  экосистемы, хотя позволяют решать ряд практических задач, особенно связанных с сохранением устойчивости экосистем.

Пирамида чисел  позволяет, например, рассчитывать допустимую величину улова рыбы или отстрела животных в охотничий период без  последствий для нормального  их воспроизведения.

3. пирамиды энергии - показывает величину потока энергии или продуктивности на последовательных уровнях (рис.5).

В противоположность  пирамидам чисел и биомассы, отражающим статику системы (количество организмов в данный момент), пирамида энергии отражая картину скоростей прохождения массы пищи (количества энергии) через каждый трофический уровень пищевой цепи, дает наиболее полное представление о функциональной организации сообществ.

На форму этой пирамиды не влияют изменения размеров и интенсивности метаболизма  особей, и если учтены все источники  энергии, то пирамида всегда будет иметь  типичный вид с широким основанием и суживающейся верхушкой. При построении пирамиды энергии в ее основание  часто добавляют прямоугольник, показывающий приток солнечной энергии.

Пирамиды энергии  позволяют сравнивать энергетическую значимость популяций внутри экосистемы и иллюстрировать количественные отношения  в отдельных, представляющих особый интерес частях экосистем, например, в звеньях жертва-хищник или хозяин-паразит.

В 1942 г. американский эколог Р. Линдеман сформулировал закон пирамиды энергий (закон 10 процентов), согласно которому с одного трофического уровня через пищевые цепи на другой трофический уровень переходит в среднем около 10% поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды энергии. Остальная часть энергии теряется в виде теплового излучения, на движение и т.д. Организмы в результате процессов обмена теряют в каждом звене пищевой цепи около 90% всей энергии, которая расходуется на поддержание их жизнедеятельности.

Если заяц съел 10 кг растительной массы, то его собственная  масса может увеличиться на 1 кг. Лисица или волк, поедая 1 кг зайчатины, увеличивают свою массу уже только на 100 г. У древесных растений эта  доля много ниже из-за того, что древесина  плохо усваивается организмами. Для трав и морских водорослей эта величина значительно больше, поскольку у них отсутствуют  трудноусвояемые ткани. Однако общая закономерность процесса передачи энергии остается: через верхние трофические уровни ее проходит значительно меньше, чем через нижние.

Рассмотрим превращение  энергии в экосистеме на примере  простой пастбищной трофической  цепи, в которой имеется всего  три трофических уровня.

1. уровень - травянистые растения,
2. уровень - травоядные млекопитающие, например, зайцы
3. уровень - хищные млекопитающие, например, лисы

Питательные вещества создаются в процессе фотосинтеза  растениями, которые из неорганических веществ (вода, углекислый газ, минеральные  соли и т.д.) с использованием энергии  солнечного света образуют органические вещества и кислород, а также АТФ. Часть электромагнитной энергии  солнечного излучения при этом переходит  в энергию химических связей синтезируемых  органических веществ.

Все органическое вещество, создаваемое в процессе фотосинтеза  называется валовой первичной продукцией (ВПП). Часть энергии валовой первичной продукции расходуется на дыхание, в результате чего образуется чистая первичная продукция (ЧПП), которая и является тем самым веществом, которое поступает на второй трофический уровень и используется зайцами.

Пусть ВПП составляет 200 условных единиц энергии, а затраты  растений на дыхание (R) - 50%, т.е. 100 условных единиц энергии. Тогда чистая первичная  продукция будет равна: ЧПП = ВПП - R (100 = 200 - 100), т.е. на второй трофический  уровень к зайцам поступит 100 условных единиц энергии.

Однако, в силу разных причин зайцы способны потребить лишь некоторую долю ЧПП (в противном случае исчезли бы ресурсы для развития живой материи), существенная же ее часть, в виде отмерших органических остатков (подземные части растений, твердая древесина стеблей, ветвей и т.д.) не способна поедаться зайцами. Она поступает в детритные пищевые цепи и (или) подвергается разложению редуцентами (F). Другая часть идет на построение новых клеток (численность популяции, прирост зайцев - Р) и обеспечение энергетического обмена или дыхания (R).

В этом случае, согласно балансовому подходу, балансовое равенство  расхода энергии (С) будет выглядеть  следующим образом: С = Р + R + F, т.е. поступившая на второй трофический уровень энергия будет израсходована, согласно закону Линдемана, на прирост популяции - Р - 10%, остальные 90% будут израсходованы на дыхание и удаление неусвоенной пищи.

Таким образом, в  экосистемах с повышением трофического уровня происходит быстрое уменьшение энергии, накапливаемой в телах  живых организмов. Отсюда ясно почему каждый последующий уровень всегда будет меньше предыдущего и почему цепи питания обычно не могут иметь более 3-5 (редко 6) звеньев, а экологические пирамиды не могут состоять из большого количества этажей: к конечному звену пищевой цепи так же, как и к верхнему этажу экологической пирамиды, будет поступать так мало энергии, что ее не хватит в случае увеличения числа организмов.

Такая последовательность и соподчиненность связанных  в форме трофических уровней  групп организмов представляет собой  потоки вещества и энергии в биогеоценозе, основу его функциональной организации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ  
 
Очевидно, что системы, противоречащие естественным принципам и законам, неустойчивы. Попытки сохранить их становятся все более дорогостоящими и сложными, и в любом случае обречены на неудачу. Изучая законы функционирования экосистем, мы имеем дело с потоком энергии, проходящих через ту или иную экосистему. Скорость накопления энергии в форме органического вещества, которое может быть использовано в пищу, важный параметр, т. к. им определяется общий поток энергии через биотический компонент экосистемы, а значит и количество (биомасса) животных организмов, которые могут существовать в экосистеме. «Получение урожая» означает изъятие из экосистемы тех организмов или их частей, которые используются в пищу (или для иных целей). При этом желательно, чтобы экосистема производила пригодную для пищи продукцию наиболее эффективно. Рациональное природопользование единственный выход из ситуации.  
Общая задача рационального управления природными ресурсами состоит в выборе наилучших, или оптимальных, способов эксплуатации естественных и искусственных (например, в сельском хозяйстве) экосистем. Причем под эксплуатацией понимается не только сбор урожая, но и воздействие теми или иными видами хозяйственной деятельности на условия существования природных биогеоценозов. Следовательно, рациональное использование природных ресурсов предполагает создание сбалансированного сельскохозяйственного производства, не истощающего почвенные и водные ресурсы и не загрязняющего землю и продукты питания; сохранение природных ландшафтов и обеспечение чистоты окружающей среды, сохранение нормального функционирования экосистем и их комплексов, поддержание биологического разнообразия природных сообществ на планете.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ  
 
1. Реймерс Н. Ф. Экология. М., 1994.  
2. Реймерс Н. Ф. Популярный биологический словарь.  
3. Небел Б. Наука об окружающей среде: Как устроен мир. В 2 т. М.: Мир, 1993.  
4. Гольдфейн М. Д., Кожевников Н. В. и др. Проблемы жизни в окружающей среде.  
5. Реввель П., Реввель Ч. Среда нашего обитания. М., 1994.