Главный источник энергии на нашей планете — это Солнце. Но только небольшая часть солнечной энергии, поглощённой растениями (от (1) до (5) %), запасается в виде энергии химических связей продуктов фотосинтеза. Большая часть поступившей энергии рассеивается в виде тепла.
В пищевых цепях при переходе с одного трофического уровня на другой количество энергии уменьшается.
Потери энергии обусловлены разными причинами. Часть энергии, содержащейся в пище, теряется в реакциях её преобразования или вообще не усваивается и удаляется из организма с отходами. Консументы съедают не всех организмов предыдущего трофического уровня, следовательно, на следующий уровень передаётся не вся запасённая ими энергия. Часть энергии теряется в виде тепла в процессе дыхания и движения.
Подсчитано, что на каждый трофический уровень передаётся приблизительно (10) % энергии предыдущего уровня. Эта закономерность известна как правило 10 %.
Рис. (1). Правило (10) %
Правило (10) % (правило Р. Линдемана): на каждом трофическом уровне теряется примерно (90) % энергии, и только (10) % энергии передаётся на следующий уровень.
Графически это можно изобразить в виде пирамиды энергии.
Пирамида энергии — соотношение между количеством энергии, заключённой в каждом из трофических уровней.
Рис. (2). Экологическая пирамида
На рисунке сплошным цветом обозначена энергия, переходящая на следующий трофический уровень, штриховкой — потери энергии.
Из-за больших потерь энергии число трофических уровней в биоценозе редко превышает три-четыре.
Источники:
Рис. 1. Правило 10 %. © ЯКласс.
Рис. 2. Экологическая пирамида. © ЯКласс.
Пирамида энергии
Пирамида
энергии дает наиболее полное представление
о функциональной организации
сообщества, так
как она отражает величину потока энергии,
скорость прохождения биомассы через
пищевую цепь.
В
противоположность пирамидам чисел и
биомассы, отражающим статистику
экосистемы, т.е. характеризующим
количество организмов или их биомассу
в данный момент времени,
пирамида энергии отражает на каждом
уровне удельное количество энергии (на
единицу площади или объема), прошедшей
через предыдущий трофический
уровень за данный отрезок времени, т.е.
динамику экосистем.
Р.Линдеман (1942 г.) сформулировал правило
пирамиды энергии (правило 10%),согласнокоторому с одного трофического
уровня экологической пирамиды переходит
на другой, более высокий, в среднем не
более 10% энергии.
Остальная
часть энергии теряется в виде теплового
излучения в соответствии со вторым
законом термодинамики.
Поэтому организмы
в результате процессов обмена теряют
в каждом звене пищевой цепи около 90%
всей энергии, которая расходуется на
поддержание их жизнедеятельности.
По
этой причине пирамида энергии всегда
суживается кверху, т.е. имеет правильную
форму
рис.9.
10
Консументы
3 порядка
9
100
Консументы 2 порядка
90
1000
Консументы
1 порядка
900
10000
Продуценты
9000
Полезная энергия,
доступная на Энергия,
теряемая в виде тепла
каждом трофическом
уровне на каждом
трофическом уровне
(в ккал)
(в ккал)
Рис.9.
Пирамиды энергетических потоков и
расходов энергии
Пирамиды
энергетических потоков и расхода энергии
свидетельствуют о том, что чем длиннее
пищевая цепь, тем больше теряется
полезной энергии.
Поэтому цепи
питания не могут быть очень длинными,
обычно они состоят из 3-5 звеньев
(трофических уровней).
Пирамида
энергетических потоков объясняет,
почему можно прокормить большее число
людей, если сократить пищевую цепь до
прямого потребления зерновых
(«рис-человек»), чем если в качестве пищи
использовать животных, потребляющих
зерно («зерно-говядина-человек»).
Чтобы
избежать белкового (протеинового)
голодания, вегетарианское питание
должно состоять из разнообразных
растений, имеющих в своем составе
молекулы 10 азотсодержащих
аминокислот, используемых для создания
протеина, который наш организм не в
состоянии сам синтезировать.
Бедная
часть населения нашей планеты,
довольствующая растительной диетой,
часто не имеет средств для выращивания
или покупки всех овощей и фруктов,
необходимых для избегания протеинового
голодания.
Правило
экологической пирамиды универсально
и объективно отражает круговорот веществ
и поток энергии в биосфере. В масштабе
всей биосферы это правило никогда не
нарушается.
Экологическая пирамида
4
Средняя оценка: 4
Всего получено оценок: 550.
4
Средняя оценка: 4
Всего получено оценок: 550.
Одним из видов взаимоотношений между организмами в экосистемах являются трофические связи. Они показывают, как в экосистемах перемещается энергия по цепям питания. Моделью, демонстрирующей изменение количества энергии в звеньях цепей питания, является экологическая пирамида.
Строение пирамиды
Пирамида – это графическая модель. Её изображение делится на горизонтальные уровни. Число уровней соответствует числу звеньев в цепях питания.
Все цепи питания начинаются с продуцентов – автотрофных организмов, образующих органические вещества. Совокупность автотрофов экосистемы – то, что находится в основании экологической пирамиды.
Далее следуют консументы (потребители).
Обычно пищевая пирамида содержит от 3 до 5 уровней.
Последними звеньями цепей питания всегда бывают крупные хищники или человек. Таким образом, численность особей и биомасса на последнем уровне пирамиды самые низкие.
ТОП-2 статьи
которые читают вместе с этой
Суть экологической пирамиды – в изображении прогрессивного уменьшения биомассы в цепях питания.
Условность модели
Следует понимать, что модель показывает реальность обобщённо. В жизни всё сложнее. Любой крупный организм, включая человека, может быть съеден и его энергия будет задействована в экологической пирамиде нетипичным образом.
Часть биомассы экосистемы всегда приходится на редуцентов, – организмы, разлагающие мёртвую органику. Редуценты поедаются консументами, частично возвращая энергию в экосистему.
Такие всеядные животные, как бурый медведь, выступают и как консумент первого порядка (поедает растения), и как редуцент (питается падалью), и как крупный хищник.
Виды
В зависимости от того, какая количественная характеристика уровней используется, существует три вида экологических пирамид:
- численности;
- биомассы;
- энергии.
Правило 10 %
Согласно расчётам экологов, на каждый последующий уровень экологической пирамиды переходит 10 % биомассы или энергии предыдущего уровня. Остальные 90 % расходуются на процессы жизнедеятельности организмов и рассеиваются в виде теплового излучения.
Эту закономерность называют правилом экологической пирамиды энергии и биомассы.
Рассмотрим примеры. Из одной тонны зелёных растений формируется около 100 кг массы тела травоядных животных. При потреблении травоядных мелкими хищниками их масса увеличивается на 10 кг. Если мелкие хищники поедаются крупными, то масса тела последних возрастает на 1 кг.
Цепь питания: фитопланктон – зоопланктон – мелкие рыбы – крупные рыбы – человек. Здесь уже 5 уровней и, чтобы масса человека увеличилась на 1 кг, необходимо, чтоб на первом уровне было 10 т фитопланктона.
Преимущества вершины
Виды, стоящие на вершине экологической пирамиды, имеют значительно больше шансов эволюционировать. В древние эпохи именно животные, занимавшие высший уровень в трофических взаимоотношениях развивались быстрее.
В мезозое млекопитающие занимали средние уровни экологической пирамиды и активно истреблялись хищными рептилиями. Только благодаря вымиранию динозавров они смогли подняться на верхний уровень и занять господствующее положение во всех экосистемах.
Что мы узнали?
Различные типы экологических пирамид показывают соотношения между продуцентами и консументами в данном биоценозе. Согласно закону распределения энергии в экологической пирамиде, на каждый последующий уровень переходит 10 % массы предыдущего.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
-
Саша Король
10/10
-
Игорь Гавриченко
8/10
-
Галина Баталова
10/10
Оценка доклада
4
Средняя оценка: 4
Всего получено оценок: 550.
А какая ваша оценка?
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):
- Организмы, которые производят органические вещества из неорганических, называются продуцентами (производителями). Растения и некоторые бактерии являются преобразователями солнечной энергии в процессе фотосинтеза и создают (синтезируют) органические вещества, которые потребители используют в качестве пищи. Как правило, такие пирамиды в окружающем мире начинаются именно с потребителей. Они расположены внизу и проходят через различные ступени, поднимаясь по пирамиде. Вершина представляет самый высокий уровень в цепи питания.
- Следующим уровнем в иерархии являются консументы — это потребители органического вещества. Травоядные животные употребляют растительную пищу, а плотоядные — животную. В результате процесса пищеварения, протекающего в организмах консументов, происходит первичное измельчение и разложение органического вещества.
- После этого редуценты разрушают мёртвые или разлагающиеся организмы и при этом осуществляют естественный процесс разложения.
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:
- При каждом трофическом потоке часть доступной энергии теряется при дыхании или расходуется на обмен веществ.
- Часть энергии теряется при каждом преобразовании.
Виды экологических пирамид
Подобные пирамиды представляют трофическую структуру, а также трофическую функцию экосистемы. Они могут быть следующих трёх видов:
- Пирамида чисел (или численности). Здесь учитывается количество организмов на каждой ступени. В процессе продвижения вверх по уровням количество организмов уменьшается. Производители образуют наибольшее количество и, следовательно, находятся на самом дне.
- Пирамида энергии. Она вертикальная и представляет собой поток энергии от производителей к конечным потребителям.
- Пирамида биомассы. Она представляет количество биомассы организмов, присутствующих на каждом уровне. Биомасса — это ни что иное, как вес организмов.
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:
- Травы занимают самый низкий уровень (основание) из-за их обилия в экологии.
- Следующая более высокая ступень — основной потребитель — травоядные, например, кузнечик. Индивидуальное количество кузнечиков меньше, чем у травы.
- Следующая ступень — это основной хищник, например крысы. Количество крыс меньше, чем кузнечиков, потому что они питаются кузнечиками.
- Далее вторичный хищник, змеи. Они питаются крысами.
- И наконец, верхний хищник, такой как ястреб.
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:
- Она обычно определяется путём сбора всех организмов, занимающих каждый уровень отдельно, и измерения их сухого веса. Это преодолевает проблему разницы в размерах, поскольку взвешиваются все виды организмов на трофическом уровне.
- На каждом уровне располагается определённая масса живого материала в определённое время.
- Постоянный урожай измеряется как масса живых организмов (биомасса) или количество в единице площади.
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:
- Предположим, что экосистема получает 1000 калорий световой энергии в данный день. Большая часть энергии не поглощается, а отражается в пространстве.
- Из поглощённой энергии только небольшая доля используется зелёными растениями, из которых они расходуют часть для дыхания, поэтому только 100 калорий хранятся в качестве энергозатратных материалов.
- Олень съедает растение, содержащее 100 калорий пищевой энергии. Он использует часть из них для своего метаболизма и сохраняет только 10 калорий в качестве пищевой энергии.
- Лев, который ест оленей, получает ещё меньше энергии. Таким образом, полезная энергия уменьшается от солнечного света до производителя, от травоядного животного до плотоядного.
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:
- Эти виды применимы только в простых пищевых цепях, которые не обязательно встречаются в природе. Они также не учитывают возможное присутствие одного и того же вида на разных трофических уровнях.
- Более того, ни одна из трёх экологических пирамид не даёт представления о разнице времён года и климата.
- Другим организмам, таким как микроорганизмы и грибы, не отводится особой роли в пирамидах, несмотря на их жизненно важную роль в экосистемах.
- Они не учитывают один и тот же вид, принадлежащий двум или более трофическим уровням.
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.
В 1942 г. американский эколог Рэймонд Линдеман сформулировал закон, касающийся пирамиды энергий — так называемый закон 10 процентов. Он гласит, что с одного трофического уровня пирамиды на следующий уровень через пищевые цепи переходит не более 10 процентов изначально поступившей на этот уровень энергии. Получается, что организмы теряют на каждом «этаже» пищевой цепи около 90 процентов энергии. При этом имеется в виду часть энергии, поступившей с пищей, которую организм использует для построения органического вещества своего собственного тела. Причины потери энергии: пища не полностью переваривается и усваивается, так что часть энергии уходит из организма впустую. Огромная часть энергии расходуется на движение, поддержание обменных процессов в организме, рассеивается в виде тепла в ходе дыхания.
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.
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.
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.
Пирамида энергии