Что отражает правила экологических пирамид вывод

История и описание

В 1927 году концепция экологической пирамиды была впервые предложена английским экологом Чарльзом Элтоном (1900−1991) (поэтому она также известна как элтонская пирамида). Экологическая пирамида — это графическое изображение треугольной формы, которое показывает количество организмов, биомассы и заключённой в них энергии на каждом трофическом уровне в экосистеме и их биологическую продуктивность. Она состоит из ряда горизонтальных полос, изображающих определённые ранги. Длина каждого столбца представляет общее количество особей, или биомассы, или энергии на каждом уровне в экосистеме.

Все организмы в биологии классифицируются на основе различных факторов окружающей среды, таких как образ жизни в определённой экосистеме (что едят и как получают энергию):

Экологическая эффективность

Экологическая эффективность — это эффективность, с которой энергия передаётся с одного трофического уровня на другой.

Количество трофических уровней в пастбищной пищевой цепи ограничено, поскольку передача энергии осуществляется по закону десяти процентов. Это означает, что только 10% энергии передаётся на каждый трофический уровень с нижестоящего.

Уменьшение на каждом последующем уровне обусловлено двумя причинами:

Виды экологических пирамид

Подобные пирамиды представляют трофическую структуру, а также трофическую функцию экосистемы. Они могут быть следующих трёх видов:

В целом, все они являются вертикальными, за исключением некоторых случаев. Например, в пищевой сети детрита (остатки органических веществ, перегной, которые образуются при переработке мёртвых растений и животных бактериями и простейшими) пирамида чисел не является вертикальной, потому что многие организмы питаются мёртвыми растениями или животными. Перевёрнутой экологической пирамидой также является пирамида биомассы в океане. Но следует отметить, что пирамида энергии находится исключительно в вертикальном положении, поскольку поток энергии является однонаправленным.

Численность особей

Пирамида чисел графически представляет общее количество особей, присутствующее на каждом уровне. Этот вид может иметь две разные формы в зависимости от количества организмов: прямую и перевёрнутую.

В вертикальной числовой пирамиде количественное соотношение организмов обычно уменьшается снизу вверх. Это обычно происходит в экосистемах лугов и прудов, где растения (например, травы) занимают основание пирамиды. Последующие уровни включают потребителей.

Перевёрнутая пирамида чисел, с другой стороны, является противоположностью первой. Это обычно наблюдается в экосистемах леса с деревьями в качестве производителей и насекомых в качестве потребителей.

Среди трёх видов она наименее точна, поскольку не учитывает конкретное количество населения и, следовательно, не может полностью определить трофическую структуру в этой экосистеме. Она игнорирует биомассу организмов, а также не указывает на передаваемую энергию или использование её участвующими группами.

Вертикальная пирамида чисел на примере экосистемы пруда и луга кратко описывается следующим образом:

С каждым более высоким уровнем количество индивидуумов уменьшается.

При необходимости определить, какую массу растений сохранит от поедания гусеницами пара синиц при выкармливании 5 птенцов, если вес одного птенца 3 грамма, следует для начала составить цепь питания. Выглядеть она будет так: растения — гусеницы — синицы

Правило экологической пирамиды показывает, что на каждом предыдущем уровне количество биомассы и энергии, которые запасаются организмами за единицу времени больше, чем на последующем

в 10 раз. Следовательно, соотношение будет следующим: растения 1500 г — гусеницы 150 г — синицы 15 г. Таким образом, пара синиц, выкармливая своих птенцов, сохраняет 1,5 кг растений.

Масса живых организмов

Пирамида биомассы определяется как количество доступной пищи и сколько энергии передаётся на единицу площади продукта живого вещества, присутствующего в организме, и общее количество организмов, находящихся на определённой ступени. В менее сложных терминах это относится к пище, доступной для последующего уровня.

Большая часть биомассы, которую потребляют животные, используется для обеспечения энергии, превращается в новые ткани или просто остаётся непереваренной. Основную часть времени данный вид имеет истинную пирамидальную форму, причём биомасса на нижних уровнях выше уровней над ними.

Как и предыдущий вид, пирамида биомассы может иметь две формы: прямую и перевёрнутую. Обычно наземные экосистемы характеризуются вертикальной формой, имеющей большую базу (первичные продуценты) с меньшими уровнями (потребители), расположенными наверху.

С другой стороны, водные экосистемы являются полной противоположностью, поскольку они принимают перевёрнутую структуру. Это связано с тем, что производители фитопланктона (как правило, с меньшей биомассой) расположены у основания, а потребители, имеющие большую биомассу, расположены у вершины.

Биомасса также используется в качестве источника возобновляемой энергии при замене ископаемого топлива. Эта альтернатива существенно помогла в улучшении климатических условий планеты. Благодаря использованию биомассы в качестве топлива можно получить широкий спектр преимуществ, которые включают сокращение отходов и низкие затраты.

Основными характеристиками пирамиды биомассы являются:

Энергия и её передача

Последний, но не менее важный вид, это энергетическая пирамида, которая показывает общую энергию в экосистеме и сколько её требуется организмам, когда они поднимаются на более высокие уровни.

Структура потока энергии в пирамиде этого вида основана на принципах термодинамики. Этот закон конкретно говорит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, она только превращается в другую форму.

Её задача — показать, что энергия переносится с более низких уровней с большим количеством энергии (производители) на более высокие (потребители) и преобразуется в биомассу.

Следовательно, можно сделать вывод, что организмы, обнаруженные на самых высоких уровнях более коротких пищевых цепей, несут большее количество энергии, чем те, которые обнаруживаются в более длинных.

В отличие от первых двух видов, энергетическая пирамида всегда изображена в вертикальном положении с самыми большими энергоносителями в основании. Её идея очень важна в контексте биологического увеличения, которое определяется как тенденция увеличения количества токсичных веществ по мере продвижения вверх по уровням.

Когда производство рассматривается с точки зрения энергии, пирамида указывает не только количество потока энергии на каждом уровне, но и, что более важно, фактическую роль, которую различные организмы играют в передаче энергии. Она также показывает, сколько энергии нужно, когда она течёт вверх, чтобы поддерживать следующий уровень.

Она строится в соответствии со скоростью, с которой пищевой материал проходит через пищевую цепь. Некоторые организмы могут иметь небольшую биомассу, но общая энергия, которую они ассимилируют и передают, может быть значительно больше, чем у организмов с гораздо большей биомассой.

Примером экологической пирамиды биомассы может служить следующее описание:

Концепция энергетической пирамиды помогает объяснить феномен биологического увеличения — склонность токсических веществ к постепенному увеличению концентрации с более высокими уровнями.

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:

Более того, сапрофитам (растениям, грибам или микроорганизмам, живущим на разлагающихся веществах) не отводится места в пирамидах, даже если они играют жизненно важную роль в экосистеме.

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:

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

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

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:

Следующий пример носит отпечаток антропогенного влияния на экосистему.

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

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.

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

Видео

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

Источник

§ 46. Экологические пирамиды. Правило Линдемана

Оглавление

*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.

*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.

Повторим главное. В пастбищных цепях питания переход энергии и биомассы от одного трофического уровня к другому подчиняется правилу 10 %, или правилу Линдемана. Графическое выражение данной закономерности получило название правила экологической пирамиды. Для ряда пастбищных цепей питания можно построить три типа экологических пирамид — чисел, биомассы и энергии.

Проверим знания

1. Сформулируйте правило Линдемана. В чем суть правила экологической пирамиды?
* 2. Какие бывают типы экологических пирамид? В чем особенность пирамиды чисел?
3. Объясните, почему в экосистеме нельзя применять правило Линдемана для этапов пастбищных цепей, включающих паразитов.
*4. Объясните, почему в водных экосистемах экологическая пирамида биомассы имеет перевернутую форму в конкретный момент, но правильную форму при оценке биомассы за сезон или за год.

*1. Масса новорожденного дельфина косатки составляет 150 кг. Составьте его цепь питания и подсчитайте, какая масса фитопланктона должна образоваться в море, чтобы обеспечить прирост зоопланктона, достаточный для питания рыбы, послужившей кормом дельфину, достигшему массы 500 кг. В данной цепи питания соблюдается правило 10 %.
*2. Пастбищная цепь луга включает следующие пищевые звенья:

луговые травы → кузнечик→ лягушка → змея.

Определите биомассу луговых трав, потребленную в данной цепи питания за лето, если прирост биомассы змеи за этот период составил 0,05 кг. В данной цепи питания соблюдается правило 10 %.

*Индивидуальное домашнее задание. В пастбищной цепи леса биомасса продуцентов содержит 6,2 · 10 4 кДж энергии, биомасса консументов II порядка — 2,2 · 10 2 кДж энергии. Рассчитайте, на отстрел какого количества косуль (консументы I порядка) можно выдать лицензию, чтобы соблюдалось правило Линдемана при переходе к консументам II порядка, если в приросте биомассы одной косули сохраняется 500 кДж энергии.

Источник