Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Универсальная модель потока энергии

Лабораторная работа № 5.

СТРУКТУРА ЭКОСИСТЕМ

Понятие экосистемы

Экосистема - это любая совокупность взаимодействующих живых организмов и условий среды. Экосистемами являются, например, муравейник, участок леса, географический ландшафт или даже весь земной шар.

Экосистемы состоят из живого и неживого компонентов, называемых соответственно биотическим и абиотическим.Биотический компонент по типу питания подразделяют на автотрофные и гетеротрофные организмы.

Автотрофы синтезируют необходимые им органические вещества из неорганических. По источнику энергии для синтеза они разделяются на два типа: фотоавтотрофы и хемоавтотрофы.

Фотоавтотрофы для синтеза органических веществ используют солнечную энергию. Это зеленые растения, имеющие хлорофилл (и другие пигменты) и усваивающие солнечный свет. Процесс, при котором происходит его усвоение, называется фотосинтезом.

Хемоавтотрофы для синтеза органических веществ используют химическую энергию. Это серобактерии и железобактерии, получающие энергию при окислении соединений железа и серы. Хемоавтотрофы играют значительную роль только в экосистемах подземных вод. Их роль в наземных экосистемах сравнительно невелика.

Гетеротрофы используют органические вещества, которые синтезированы автотрофами, и вместе с этими веществами получают энергию. Гетеротрофы, таким образом, зависят в своем существовании от автотрофов и понимание этой зависимости необходимо для понимания экосистем.

Гетеротрофами являются хищники, паразиты. К гетеротрофным организмам относится также группа сапрофитов, которые используют для питания органические соединения мертвых тел или выделения животных. Участвуя в минерализации органических соединений, сапрофиты составляют важное звено в биологическом круговороте. Сапрофитами являются грибы, бактерии, среди животных - некоторые насекомые (жуки-навозники), дождевые черви, некоторые млекопитающие (гиены) и птицы (грифы).

Неживой, или абиотический, компонент экосистемы в основном включает, во-первых, почву или воду, во-вторых, климат.

Пищевые цепи и трофические уровни

Внутри экосистемы содержащие энергию органические вещества создаются автотрофными организмами и служат пищей (источником вещества и энергии) для гетеротрофов. Типичный пример: животное поедает растение. Это животное в свою очередь может быть съедено другим животным, и таким путем может происходить перенос энергии через ряд организмов - каждый последующий питается предыдущим, поставляя ему сырье и энергию. Такая последовательность называется пищевой цепью, а каждое ее звено - трофическим уровнем. При каждом очередном переносе большая часть (80 - 90 %) потенциальной энергии теряется, переходя в тепло. Поэтому, чем короче пищевая цепь, тем большее количество энергии доступно для популяции. С потерями энергии при переносе связано ограничение количества звеньев в трофической цепи, которое обычно не превышает 4 - 5, так как чем длиннее пищевая цепь, тем меньше продукция ее последнего звена по отношению к продукции начального.

Первый трофический уровень занимают продуценты,являющиеся автотрофами, - этов основном зеленые растения. Некоторые прокариоты, а именно сине-зеленые водоросли и немногочисленные виды бактерий, тоже фотосинтезируют, но их вклад относительно невелик. Фотосинтетики превращают солнечную энергию в химическую, заключенную в органических молекулах, из которых построены их ткани. Небольшой вклад в продукцию органического вещества вносят и хемосинтезирующие бактерии.

Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами, третьего - вторичными консументами. Все консументы относятся к гетеротрофам.

Первичные консументы питаются продуцентами, т.е. это травоядные животные. На суше типичными травоядными являются многие насекомые, рептилии, птицы и млекопитающие. В водных экосистемах травоядные формы представлены обычно моллюсками и мелкими ракообразными. К первичным консументам относятся также паразиты растений (грибы, растения и животные).

Вторичные консументы питаются травоядными, - таким образом, это уже плотоядные животные, так же как и третичные консументы, поедающие консументов второго порядка. Консументы второго и третьего порядка могут быть хищниками, могут питаться падалью или быть паразитами.

Существует два главных типа пищевых цепей - пастбищные и детритные. В пастбищных пищевых цепях первый трофический уровень занимают зеленые растения, второй - пастбищные животные и третий - хищники.

Однако, тела погибших животных и растений еще содержат энергию, так же как и прижизненные выделения, например, моча и фекалии. Эти органические материалы разлагаются редуцентами. Таким образом, детритная пищевая цепь начинается с отмерших органических остатков и идет далее к организмам ими питающимся. Например, мертвое животное ® личинка падальных мух® травяная лягушка.

В схемах пищевых цепей каждый организм бывает представлен как питающийся другими организмами одного типа. Однако реальные пищевые связи в экосистеме намного сложнее, так как животные могут питаться организмами разных типов из одной и той же или из разных пищевых цепей. Поэтому пищевые цепи не изолированы друг от друга, они тесно переплетаются и образуют пищевые сети.

Экологические пирамиды

Экологические пирамиды выражают трофическую структуру экосистемы в геометрической форме. Они строятся суперпозицией прямоугольников одинаковой ширины, но длина прямоугольников должна быть пропорциональна значению измеряемого параметра. Таким образом, можно получить пирамиды чисел, биомассы, и энергии.

Эти пирамиды отражают две фундаментальные характеристики любого биоценоза, когда они показывают его трофическую структуру:

их высота пропорциональна длине рассматриваемой пищевой цепи, т.е. числу содержащихся в ней трофических уровней;

их форма более или менее отражает эффективность превращений энергии при переходе с одного уровня на другой.

Пирамиды чисел представляют собой наиболее простое приближение к изучению трофической структуры экосистемы. Установлено основное правило, согласно которому в любой среде при переходе с одного трофического уровня на другой численность особей уменьшается, а их размер увеличивается (рис.1.1).

Рис. 1.1. Экологическая пирамида чисел

Однако в построении различных пирамид чисел наблюдается большое разнообразие: иногда они могут быть перевернутыми. Так, в лесу насчитывается значительно меньше деревьев (первичные продуценты), чем насекомых. Такая же картина наблюдается и в пищевых цепях паразитов.

В заключение отметим, что пирамида чисел отнюдь не идеально отражает трофические связи в сообществе, так как она совершенно не учитывает ни размеры, ни массу индивида.

Пирамида биомассы более полно отражает пищевые взаимоотношения в экосистеме, так как она показывает биомассу (сухая масса) в данный момент на каждом уровне пищевой цепи (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Пирамиды биомассы. Тип А наиболее распространен.

Тип Б относится к перевернутым пирамидам (см. текст). Цифры означают

продукцию, выраженную в г/м² [2]

Важно понимать, что величина биомассы не содержит никакой информации о скорости ее образования или потребления.

Продуцентам небольших размеров, таким, как водоросли, свойственна высокая скорость размножения, которая уравновешивается интенсивным потреблением их в пищу другими видами и естественной гибелью. Таким образом, хотя биомасса их может быть малой по сравнению с крупными продуцентами (деревья), продуктивность при этом может быть не меньше, так как деревья накапливают биомассу в течение длительного времени. Одно из возможных следствий этого - перевернутая пирамида биомассы, показанная на рис.1.2, описывающая сообщество Ла-Манша. Зоопланктон обладает большей биомассой, чем фитопланктон, которым он питается.

Подобных неудобств можно избежать, применяя пирамиды энергии. Пирамиды энергии наиболее фундаментальным способом отражают связи между организмами на различных трофических уровнях. Каждая ступенька пирамиды энергии отражает количество энергии (на единицу площади или объема), прошедшей через определенный трофический уровень за определенный период (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Пирамида энергии. Цифрами обозначено количество

энергии на каждом трофическом уровне в кДж/м² год [2]

Пирамиды энергии позволяют сравнивать не только различные экосистемы, но и относительную значимость популяций внутри одной экосистемы, не получая при этом перевернутых пирамид.

Продуктивность экосистемы

Любая экосистема характеризуется определенной биомассой. Под биомассой подразумевают общую массу всего живого вещества, растительного и животного, имеющегося в данный конкретный момент в экосистеме или какой-либо ее части. Биомасса обычно выражается в единицах массы в пересчете на сухое вещество или энергии, заключенной в данной массе (Дж, кал). Биомасса, накопленная за определенный промежуток времени (обычно за год) называется биологической продуктивностью. Другими словами, продуктивность - это скорость накопления органического вещества (в нее включен весь прирост растительной ткани, т.е. корни, листья и прочее, а также увеличение массы животных тканей за данный период времени).

Продуктивность экосистемы разделяют на первичную и вторичную. Первичная продуктивность, или первичная продукция, - это скорость накопления органического вещества автотрофными организмами.

Первичная продуктивность подразделяется в свою очередь на валовую и чистую. Валовая первичная продукция - это общая масса органического вещества, синтезированного продуцентами за определенный период времени.

Часть синтезированного органического вещества растения или другие продуценты используют для поддержания собственной жизнедеятельности, т.е. расходуют в процессе дыхания. Если из валовой первичной продукции вычесть органическое вещество, израсходованное на дыхание продуцентов, то получим чистую первичную продукцию. Она доступна гетеротрофам (консументам и редуцентам), которые, поедая органическое вещество, синтезированное автотрофами, создают вторичную продукцию.

Поскольку консументы лишь используют ранее созданные органические вещества, вторичную продукцию на валовую и чистую не разделяют. Но ее количество также зависит от расходов на дыхание, которые тем больше, чем больше энергии затрачивает организм. При интенсивной физической нагрузке (например, у птиц во время миграции) вторичная продукция уменьшается.

Чистая продуктивность сообщества подразумевает скорость накопления органического вещества в экосистеме, т.е. если из чистой первичной продукции вычесть затраты на дыхание гетеротрофов, мы получим продуктивность сообщества. Продуктивность экосистемы - это важная характеристика сообщества, и она является показателем его стабильности. Системы с быстрым ростом, например, поле люцерны, обычно характеризуются высокой чистой первичной продукцией и, если они защищены от консументов, то и высокой продуктивностью сообщества. В сообществах в стационарном состоянии вся валовая первичная продукция обычно расходуется на дыхание автотрофов и гетеротрофов так, что к концу годового цикла чистая продуктивность сообщества очень невелика или ее не остается совсем.

Универсальная модель потока энергии

Модель потока энергии, представленную на рис. 1.4, можно назвать универсальной, поскольку она приложима к любому живому компоненту системы, будь то растение, животное, популяция или трофический уровень. Соединенные между собой такие графические модели могут отразить биоэнергетику пищевой цепи или экосистемы в целом.

Прямоугольник обозначает живую структуру или биомассу основного компонента модели. Общее поступление энергии обозначено буквой I. Для облигатных автотрофов - это свет, для облигатных гетеротрофов - это органическая пища.

Не вся энергия, поступившая в биомассу, подвергается превращению: часть ее может пройти через пищеварительный тракт, не включаясь в метаболизм, и выделиться с экскрементами или, если речь идет об автотрофах, часть света проходит через растение, не усваиваясь. Эта часть энергии NU. Использованная, или ассимилированная часть энергии на схеме обозначена буквой А. Отношение А и I, т.е. эффективность ассимиляции, широко варьирует. Оно может быть очень мало, как в случае усвоения света растениями или пищи у животных, или же очень велико, как в случае ассимиляции животными или бактериями высококалорийных продуктов, например, сахаров или аминокислот. У автотрофов А - это валовая первичная продукция.

Ключевая особенность этой модели - это разделение ассимилированной энергии на компоненты Р и R. Та часть фиксированной энергии, которая окисляется и теряется в форме тепла, называется дыханием, а та часть, которая превращается в новое или принадлежащее другому виду органическое вещество называется продукцией (P). У растений - это чистая продукция, у животных - вторичная продукция. Компонент Р - это энергия, доступная следующему трофическому уровню, в противоположность компоненту NU, который доступен на данном трофическом уровне.

S

G

I A P

E

R

Рис.1.4. Универсальная модель потока энергии

Отношения Р /R и биомасса/ Р широко варьируют. Они имеют важное экологическое значение. В целом часть энергии, идущая на дыхание, т.е. на поддержание структуры организма, велика в популяциях крупных организмов и в сообществах с большой биомассой на корню. При стрессовых воздействиях на биологическую систему расходы на дыхание возрастают. Величина продукции сравнительно велика в активных популяциях мелких организмов, например, бактерий или водорослей, в молодых быстро растущих сообществах, в системах, получающих энергетические дотации. Продукция может принимать различные формы. Три ее типа указаны на рисунке: G - рост и увеличение биомассы, Е - ассимилированное органическое вещество, выделяемое с секретами, S - запас, например жировые накопления, которые могут быть использованы позже (хищник использует энергию запасных веществ, чтобы найти новую жертву).

Задания

1. Составить схему пищевой цепи из перечисленных организмов, обозначить трофические уровни и дать им определения, указать, к какому типу относится пищевая цепь:

а) личинки падальных мух, мертвое животное, лягушка, обыкновенный уж; б) лиса, трава, кролик; в) листовая подстилка, дождевой червь, ястреб-перепелятник, черный дрозд; г) божья коровка, тля, сосна, насекомоядная птица, паук.

2. На рис. 1.5 показаны потоки энергии, проходящей через небольшую часть луговой экосистемы:

а) какова валовая первичная продукция злаков и разнотравья;

б) какова эффективность фотосинтеза, т.е. преобразования поступающей солнечной энергии в валовую продукцию;

г) чему равна продукция паукообразных;

д) чему равна продукция саранчовых;

е) сколько энергии теряется при дыхании и выделении фекалий у полевых мышей;

ж) какие организмы являются продуцентами;

з) какие организмы являются первичными консументами;

и) какие организмы являются вторичными консументами;

к) какие организмы относятся к автотрофам, гетеротрофам?

3. Для экосистем, указанных в табл. 1.1 рассчитать чистую первичную продукцию, продуктивность сообщества и определить эффективность их образования. Сравнить экосистемы. Какие сообщества являются стабильными?

Рис. 1.5. Поток энергии через небольшую часть луговой экосистемы (кДж / м² ^. год) [2]

Т а б л и ц а 1.1

Годовая продукция в экосистемах, ккал/ м² в год [3]

Показатели потока	Экосистемы
энергии в экосистемах	Поле люцерны	Посадки сосны	Сосновый лес	Большой ручей	Дождевой лес	Прибреж-ный пролив
Валовая первичная продукция
Дыхание автотрофов
Дыхание гетеротрофов

4. С помощью рис. 1.6 выполнить следующие задания.

а) В пирамиде А первичные продуценты (растения) - организмы малых размеров, а численность их выше численности травоядных животных. Опишите и объясните различия между пирамидами А и Б.

б) Жгутиковые простейшие Leptomonas паразитируют на мелких насекомых, тысячи их могут быть найдены в одной блохе. Постройте пирамиду численности на основе следующей пищевой цепи: трава - травоядное млекопитающее - блоха - Leptomonas.

в) Дайте объяснение различия между пирамидами А и В.

Консументы 3-го порядка

Консументы 2-го порядка

Консументы 1-го порядка

Продуценты

А) В)

Консументы 3-го порядка

Консументы 2-го порядка

Травоядные

Б) Растения

Рис. 1.6. Экологические пирамиды численности

5. Пользуясь правилом экологической пирамиды, подсчитайте, какая площадь соответствующего биогеоциноза может выкормить одну особь последнего звена в цепи питания:

а) планктон - нехищная рыба - щука 10 кг;

б) планктон - нехищная рыба - скопа 5 кг;

в) планктон - нехищная рыба - орлан-белохвост 6 кг;

г) растения - беспозвоночные - карп 3 кг.

Биологическая продуктивность планктона 600, донной растительности 1000 г/м² в год.

6. По данным, приведенным в табл. 1.2 определить, какой из видов более эффективно использует энергию пищи на рост и накопление жировых запасов.

Т а б л и ц а 1.2

Продукция, тыс. кал/ га [8]

Вид	Корм	Вторичная продукция
потребленный	усвоенный
Малый суслик
Степной суслик

7. По данным табл. 1.3 рассчитать количество усвоенной пищи и ту часть усвоенной пищи, которая идет на метаболизм и на прирост биомассы. На что расходуется большая часть энергии пищи?

Т а б л и ц а 1.3

Показатели трофической деятельности сусликов

в полупустыне Прикаспия, кг/га сухой массы [8]

Год	Урожай растений	Изъято сусликами	Кормовые остатки	Экскре- менты	Прирост биомассы популяции
					4,2
					3,0
					2,0

Воспользуйтесь поиском по сайту: