Jaka jest definicja piramidy biomasy. Piramidy ekologiczne – Hipermarket Wiedzy
Często studiowanie piramid ekologicznych sprawia uczniom duże trudności. W rzeczywistości nawet najbardziej prymitywne i łatwe piramidy ekologiczne zaczynają być badane przez przedszkolaki i uczniów w szkole podstawowej. W ostatnich latach ekologia jako nauka zaczęła zyskiwać na znaczeniu, gdyż nauka ta odgrywa znaczącą rolę we współczesnym świecie. Piramida ekologiczna jest częścią ekologii jako nauki. Aby zrozumieć, co to jest, musisz przeczytać ten artykuł.
Co to jest piramida ekologiczna?
Piramida ekologiczna to projekt graficzny, który najczęściej przedstawiany jest w kształcie trójkąta. Takie modele przedstawiają strukturę troficzną biocenozy. Oznacza to, że piramidy ekologiczne wyświetlają liczbę osobników, ich biomasę, czy też ilość zawartej w nich energii. Każdy z nich może wykazać dowolny wskaźnik. Oznacza to zatem, że piramidy ekologiczne mogą być kilku typów: piramida wyświetlająca liczbę osobników, piramida odzwierciedlająca ilość biomasy reprezentowanych osobników, a także ostatnia piramida ekologiczna, która wyraźnie pokazuje ilość zawartej energii u tych osób.
Co to są piramidy liczbowe?
Piramida liczb (lub liczb) pokazuje liczbę organizmów na każdym poziomie troficznym. Taki ekologiczny model graficzny można zastosować w nauce, ale jest to niezwykle rzadkie. Powiązania w ekologicznej piramidzie liczb można przedstawiać niemal w nieskończoność, czyli strukturę biocenozy w jednej piramidzie jest niezwykle trudno zobrazować. Ponadto na każdym poziomie troficznym występuje wiele osobników, co sprawia, że czasami prawie niemożliwe jest ukazanie całej struktury biocenozy w jednej pełnej skali.
Przykład konstrukcji piramidy liczb
Aby zrozumieć piramidę liczb i jej budowę, należy dowiedzieć się, które osobniki i jakie interakcje między nimi wchodzą w skład tej piramidy ekologicznej. Przyjrzyjmy się teraz szczegółowo przykładom.
Niech podstawą figury będzie 1000 ton trawy. Ta trawa, powiedzmy, za 1 rok będzie w stanie wyżywić około 26 milionów koników polnych i innych owadów w naturalnych warunkach przetrwania. W tym przypadku koniki polne będą umiejscowione ponad roślinnością i będą stanowić drugi poziom troficzny. Trzeci poziom troficzny stanowić będzie 90 tys. żab, które w ciągu roku zjadają znajdujące się poniżej owady. W ciągu roku żaby te będzie mogło zjeść około 300 pstrągów, co oznacza, że będą one znajdować się na czwartym poziomie troficznym piramidy. Osoba dorosła będzie już znajdować się na szczycie piramidy ekologicznej, stanie się piątym i ostatnim ogniwem tego łańcucha, czyli ostatnim poziomem troficznym. Stanie się tak, ponieważ w ciągu roku człowiek będzie mógł zjeść około 300 pstrągów. Z kolei człowiek jest na najwyższym poziomie na świecie i dlatego nikt nie może go zjeść. Jak pokazano na przykładzie, brakujące ogniwa w ekologicznej piramidzie liczb są niemożliwe.
Może mieć różnorodne struktury w zależności od ekosystemu. Na przykład ta piramida dla ekosystemów lądowych może wyglądać niemal identycznie jak piramida energetyczna. Oznacza to, że piramida biomasy będzie zbudowana w taki sposób, że ilość biomasy będzie się zmniejszać z każdym kolejnym poziomem troficznym.
Generalnie piramidami biomasowymi zajmują się głównie studenci, gdyż ich zrozumienie wymaga pewnej wiedzy z zakresu biologii, ekologii i zoologii. Ta piramida ekologiczna to rysunek graficzny przedstawiający relacje pomiędzy producentami (czyli producentami substancji organicznych z nieorganicznych) a konsumentami (konsumentami tych substancji organicznych).
i prosudenty?
Aby naprawdę zrozumieć zasadę budowy piramidy biomasy, należy zrozumieć, kim są konsumenci i producenci.
Producenci to producenci substancji organicznych z nieorganicznych. To są rośliny. Na przykład liście roślin zużywają dwutlenek węgla (materia nieorganiczna) i wytwarzają materię organiczną w procesie fotosyntezy.
Konsumenci są konsumentami tych substancji organicznych. W ekosystemie lądowym są to zwierzęta i ludzie, a w ekosystemach wodnych różne zwierzęta morskie i ryby.
Odwrócone piramidy biomasy
Odwrócona piramida biomasy ma budowę odwróconego trójkąta skierowanego w dół, to znaczy jej podstawa jest węższa niż wierzchołek. Taka piramida nazywana jest odwróconą lub odwróconą. Piramida ekologiczna ma taką strukturę, jeśli biomasa producentów (producentów substancji organicznych) jest mniejsza niż biomasa konsumentów (konsumentów substancji organicznych).
Jak wiemy piramida ekologiczna jest graficznym modelem konkretnego ekosystemu. Jednym z ważnych modeli ekologicznych jest graficzna konstrukcja przepływu energii. Piramida odzwierciedlająca prędkość i czas przejścia pożywienia nazywana jest piramidą energii. Został on opracowany dzięki słynnemu amerykańskiemu naukowcowi, który był ekologiem i zoologiem Raymondem Lindemanem. Raymond sformułował prawo (zasadę piramidy ekologicznej), które głosiło, że podczas przejścia z najniższego poziomu troficznego na następny przechodzi około 10% (mniej więcej) energii, która weszła na poprzedni poziom piramidy ekologicznej łańcuchy pokarmowe. A pozostała część energii z reguły jest wydawana na proces życia, na ucieleśnienie tego procesu. A w wyniku samego procesu wymiany w każdym ogniwie organizmy tracą około 90% swojej energii.
Wzór piramidy energetycznej
W rzeczywistości wzór jest taki, że przez górne poziomy troficzne przechodzi znacznie mniej energii (kilka razy) niż przez niższe. Z tego powodu dużych zwierząt drapieżnych jest znacznie mniej niż na przykład żab czy owadów.
Rozważmy na przykład tak drapieżne zwierzę jak niedźwiedź. Może znajdować się na szczycie, czyli na ostatnim poziomie troficznym, gdyż trudno znaleźć zwierzę, które by się nim żerowało. Gdyby istniała duża liczba zwierząt, które zjadały niedźwiedzie jako pożywienie, już by wymarły, ponieważ nie byłyby w stanie same się wyżywić, ponieważ niedźwiedzi jest niewiele. Tego właśnie dowodzi piramida energii.
Piramida równowagi naturalnej
Dzieci w wieku szkolnym zaczynają się go uczyć już w pierwszej lub drugiej klasie, ponieważ jest dość łatwy do zrozumienia, ale jednocześnie bardzo ważny jako element nauki o ekologii. Piramida równowagi naturalnej funkcjonuje w różnych ekosystemach, zarówno w przyrodzie lądowej, jak i podwodnej. Często używa się go, aby przedstawić dzieciom w wieku szkolnym znaczenie każdego stworzenia na ziemi. Aby zrozumieć piramidę równowagi naturalnej, należy rozważyć przykłady.
Przykłady budowy piramidy równowagi naturalnej
Piramidę równowagi naturalnej można wyraźnie wykazać na podstawie interakcji rzeki i lasu. Na przykład rysunek graficzny może przedstawiać następującą interakcję zasobów naturalnych: na brzegu rzeki znajdował się las sięgający daleko w głąb. Rzeka była bardzo głęboka, a na jej brzegach rosły kwiaty, grzyby i krzewy. W jego wodach było mnóstwo ryb. W tym przykładzie mamy do czynienia z równowagą ekologiczną. Rzeka oddaje wilgoć drzewom, ale drzewa dają cień i nie pozwalają na odparowanie wody z rzeki. Rozważmy odwrotny przykład naturalnej równowagi. Jeśli coś stanie się z lasem, drzewa spalą się lub zostaną wycięte, rzeka może wyschnąć bez ochrony. To jest przykład destrukcji
To samo może się zdarzyć ze zwierzętami i roślinami. Weźmy pod uwagę sowy i żołędzie. Żołędzie są podstawą naturalnej równowagi w piramidzie ekologicznej, gdyż nie żywią się niczym, a jednocześnie stanowią pokarm dla gryzoni. Drugim składnikiem następnego poziomu troficznego będą myszy leśne. Żywią się żołędziami. Na szczycie piramidy będą sowy, ponieważ jedzą myszy. Jeśli znikną żołędzie rosnące na drzewie, myszy nie będą miały nic do jedzenia i najprawdopodobniej umrą. Ale wtedy sowy nie będą miały kogo jeść i cały ich gatunek wymrze. To jest piramida naturalnej równowagi.
Dzięki tym piramidom ekolodzy mogą monitorować stan przyrody i świata zwierząt i wyciągać odpowiednie wnioski.
Reguła Lindemanna (10%)
Przepływ energii przechodzący przez poziomy troficzne biocenozy jest stopniowo wygaszany. W 1942 r. R. Lindeman sformułował prawo piramidy energii, czyli prawo (regułę) 10%, zgodnie z którym z jednego poziomu troficznego piramidy ekologicznej przechodzi na inny, wyższy poziom (wzdłuż „drabiny”: producent - konsument - rozkładacz) średnio około 10% energii otrzymanej na poprzednim poziomie piramidy ekologicznej. Przepływ odwrotny, związany ze zużyciem substancji i energii wytwarzanej przez górny poziom piramidy ekologicznej przez jej niższe poziomy, na przykład od zwierząt do roślin, jest znacznie słabszy – nie więcej niż 0,5% (nawet 0,25%) jej całkowitego przepływu, dlatego możemy powiedzieć, że w biocenozie nie ma potrzeby mówić o cyklu energetycznym.
Jeśli podczas przejścia na wyższy poziom piramidy ekologicznej energia zostanie utracona dziesięciokrotnie, wówczas akumulacja szeregu substancji, w tym toksycznych i radioaktywnych, wzrasta w przybliżeniu w tej samej proporcji. Fakt ten jest utwierdzony w regule biologicznego ulepszania. Dotyczy to wszystkich cenoz. W biocenozach wodnych akumulacja wielu substancji toksycznych, w tym pestycydów chloroorganicznych, koreluje z masą tłuszczów (lipidów), tj. wyraźnie ma podłoże energetyczne.
Piramidy ekologiczne
Aby jasno przedstawić relacje między organizmami różnych gatunków w biocenozie, zwyczajowo stosuje się piramidy ekologiczne, rozróżniając piramidy liczb, biomasy i energii.
Wśród piramid ekologicznych najbardziej znane i najczęściej stosowane to:
§ Piramida liczb
§ Piramida biomasy
Piramida liczb. Aby zbudować piramidę populacji, liczy się liczbę organizmów na danym terytorium, grupując je według poziomów troficznych:
§ producenci - rośliny zielone;
§ głównymi konsumentami są zwierzęta roślinożerne;
§ konsumenci wtórni - mięsożercy;
§ konsumenci trzeciorzędni - mięsożercy;
§ konsumenci ga-e („ostateczne drapieżniki”) – mięsożercy;
§ decomposers - destruktory.
Każdy poziom jest przedstawiany umownie jako prostokąt, którego długość lub powierzchnia odpowiada liczbowej wartości liczby osób. Układając te prostokąty w podrzędną sekwencję, otrzymujemy ekologiczną piramidę liczb (ryc. 3), której podstawową zasadę sformułował po raz pierwszy amerykański ekolog C. Elton Nikolaikin N. I. Ecology: Textbook. dla uniwersytetów / N. I. Nikolaikin, N. E. Nikolaikina, O. P. Melekhova. - wyd. 3, stereotyp. - M.: Drop, 2004..
Ryż. 3. Piramida ekologiczna populacji łąki porośniętej zbożami: liczby - liczba osobników
Dane dla piramid populacji można uzyskać dość łatwo poprzez bezpośrednie pobranie próbek, ale występują pewne trudności:
§ Producenci różnią się znacznie wielkością, chociaż jeden okaz trawy lub glonu ma taki sam status jak jedno drzewo. Czasami narusza to prawidłowy kształt piramidy, czasami nawet dając odwrócone piramidy (ryc. 4) Tamże;
![](https://i2.wp.com/studbooks.net/imag_/28/27148/image004.jpg)
Ryż.
§ Rozpiętość liczebności poszczególnych gatunków jest tak duża, że przy graficznym przedstawieniu trudno zachować skalę, można jednak w takich przypadkach zastosować skalę logarytmiczną.
Piramida biomasy. Ekologiczna piramida biomasy zbudowana jest podobnie jak piramida liczb. Jego głównym zadaniem jest pokazanie ilości żywej materii (biomasy – całkowitej masy organizmów) na każdym poziomie troficznym. Pozwala to uniknąć niedogodności typowych dla piramid populacji. W tym przypadku rozmiar prostokątów jest proporcjonalny do masy żywej materii na odpowiednim poziomie, na jednostkę powierzchni lub objętości (ryc. 5, a, b) Nikolaikin N. I. Ekologia: podręcznik. dla uniwersytetów / N. I. Nikolaikin, N. E. Nikolaikina, O. P. Melekhova. - wyd. 3, stereotyp. - M.: Bustard, 2004.. Termin „piramida biomasy” powstał w związku z tym, że w zdecydowanej większości przypadków masa konsumentów pierwotnych żyjących kosztem producentów jest znacznie mniejsza od masy tych producentów, a masa konsumentów wtórnych jest znacznie mniejsza niż masa konsumentów pierwotnych. Biomasę destruktorów zazwyczaj przedstawia się osobno.
![](https://i1.wp.com/studbooks.net/imag_/28/27148/image005.jpg)
Ryż. 5. Piramidy biomasy biocenoz rafy koralowej (a) i kanału La Manche (b): liczby - biomasa w gramach suchej masy na 1 m 2
Podczas pobierania próbek określa się biomasę stojącą lub plon stały (tj. w danym momencie), który nie zawiera informacji o tempie produkcji lub zużycia biomasy.
Szybkość tworzenia materii organicznej nie determinuje jej całkowitych zasobów, tj. całkowita biomasa wszystkich organizmów na każdym poziomie troficznym. Dlatego w dalszej analizie mogą pojawić się błędy, jeśli nie zostaną uwzględnione:
* po pierwsze, jeśli tempo zużycia biomasy (straty na skutek spożycia) i tempo jej powstawania są równe, to plon na stojąco nie wskazuje na produktywność, tj. o ilości energii i materii przemieszczającej się z jednego poziomu troficznego na drugi, wyższy, w pewnym okresie czasu (na przykład rok). Zatem na żyznym, intensywnie użytkowanym pastwisku plon stojącej trawy może być niższy, ale produktywność może być wyższa niż na mniej żyznym, ale mało używanym do wypasu;
* po drugie, drobni producenci, jak glony, charakteryzują się wysokim tempem wzrostu i rozmnażania, równoważonym ich intensywnym spożyciem w celach pokarmowych przez inne organizmy i naturalną śmiercią. Dlatego ich produktywność może być nie mniejsza niż w przypadku dużych producentów (na przykład drzew), chociaż stojąca biomasa może być niewielka. Innymi słowy, fitoplankton o tej samej produktywności co drzewo będzie miał znacznie mniej biomasy, choć mógłby podtrzymać życie zwierząt o tej samej masie.
Jedną z konsekwencji tego są „odwrócone piramidy” (ryc. 3, b). Zooplankton biocenoz jezior i mórz najczęściej ma większą biomasę niż ich pożywienie - fitoplankton, ale tempo rozmnażania się zielonych glonów jest tak wysokie, że w ciągu 24 godzin przywracają one całą biomasę zjedzoną przez zooplankton. Niemniej jednak w niektórych porach roku (podczas wiosennego kwitnienia) obserwuje się zwykły stosunek ich biomasy (ryc. 6) Nikolaikin N.I. Ekologia: podręcznik. dla uniwersytetów / N. I. Nikolaikin, N. E. Nikolaikina, O. P. Melekhova. - wyd. 3, stereotyp. - M.: Drop, 2004..
![](https://i1.wp.com/studbooks.net/imag_/28/27148/image006.jpg)
Ryż. 6. Sezonowe zmiany w piramidach biomasy jeziornej (na przykładzie jednego z jezior we Włoszech): liczby - biomasa w gramach suchej masy na 1 m3
Omówione poniżej piramidy energetyczne pozbawione są widocznych anomalii.
Piramida energii. Najbardziej podstawowym sposobem odzwierciedlenia powiązań między organizmami różnych poziomów troficznych i funkcjonalnej organizacji biocenoz jest piramida energetyczna, w której wielkość prostokątów jest proporcjonalna do równoważnika energii w jednostce czasu, tj. ilość energii (na jednostkę powierzchni lub objętości), która przeszła przez określony poziom troficzny w danym okresie (ryc. 7) Tamże. Do podstawy piramidy energetycznej można rozsądnie dodać od dołu jeszcze jeden prostokąt, odzwierciedlający przepływ energii słonecznej.
Piramida energetyczna odzwierciedla dynamikę przejścia masy pokarmowej przez łańcuch pokarmowy (troficzny), co zasadniczo odróżnia ją od piramid liczb i biomasy, które odzwierciedlają statykę układu (liczbę organizmów w danym momencie). Na kształt tej piramidy nie mają wpływu zmiany wielkości i tempa metabolizmu poszczególnych osób. Jeśli wziąć pod uwagę wszystkie źródła energii, piramida zawsze będzie miała typowy wygląd (w postaci piramidy z wierzchołkiem do góry), zgodnie z drugą zasadą termodynamiki.
![](https://i2.wp.com/studbooks.net/imag_/28/27148/image007.jpg)
Ryż. 7. Piramida energetyczna: liczby - ilość energii, kJ * m -2 * r -1
Piramidy energetyczne pozwalają nie tylko porównać różne biocenozy, ale także określić względne znaczenie populacji w ramach jednej społeczności. Są najbardziej użytecznymi z trzech typów piramid ekologicznych, ale najtrudniej jest uzyskać dane do ich zbudowania.
Jednym z najbardziej udanych i wyraźnych przykładów klasycznych piramid ekologicznych są piramidy pokazane na ryc. 8 Nikolaikin N.I. Ekologia: podręcznik. dla uniwersytetów / N. I. Nikolaikin, N. E. Nikolaikina, O. P. Melekhova. - wyd. 3, stereotyp. - M.: Drop, 2004. Ilustrują one biocenozę warunkową zaproponowaną przez amerykańskiego ekologa Yu Oduma. „Biocenoza” składa się z chłopca jedzącego wyłącznie cielęcinę i cieląt jedzących wyłącznie lucernę.
![](https://i1.wp.com/studbooks.net/imag_/28/27148/image008.jpg)
Ryż.
Reguła 1% Ekologia. Kurs wykładowy. Opracował: dr, profesor nadzwyczajny AI Tichonow, 2002. Punkty Pasteura, podobnie jak prawo piramidy energetycznej R. Lindemanna, dały podstawę do sformułowania reguł jednego i dziesięciu procent. Oczywiście 1 i 10 to liczby przybliżone: około 1 i około 10.
"Magiczny numer" 1% wynika ze stosunku możliwości zużycia energii do „wydajności” niezbędnej do stabilizacji środowiska. Dla biosfery udział możliwego zużycia całkowitej produkcji pierwotnej nie przekracza 1% (co wynika z prawa R. Lindemanna: około 1% produkcji pierwotnej netto w ujęciu energetycznym zużywają kręgowce jako konsumenci wyższego rzędu, około 10% przez bezkręgowce jako konsumenci niższych rzędów, a pozostała część – bakterie i grzyby saprofagiczne). Gdy tylko ludzkość na przełomie ostatnich i naszych wieków zaczęła zużywać większą ilość produktów biosfery (obecnie co najmniej 10%), zasada Le Chateliera-Browna przestała być spełniona (najwyraźniej od około 0,5% całkowita energia biosfery): roślinność nie zapewniła wzrostu biomasy zgodnie ze wzrostem stężenia CO 2 itp. (wzrost ilości węgla wiązanego przez rośliny zaobserwowano dopiero w ubiegłym stuleciu).
Empirycznie dostatecznie uznawany jest próg spożycia wynoszący 5–10% ilości substancji, który przy przejściu przez nią prowadzi do zauważalnych zmian w układach przyrody. Przyjęto ją głównie na poziomie empiryczno-intuicyjnym, bez rozróżniania form i charakteru kontroli w tych systemach. Z grubsza możliwe jest podzielenie pojawiających się zmian w systemach naturalnych na zarządzanie organizmami i konsorcjami z jednej strony oraz systemy populacyjne z drugiej. W przypadku tego pierwszego interesujące nas wartości to próg wyjścia ze stanu stacjonarnego do 1% przepływu energii („norma” zużycia) oraz próg samozniszczenia – około 10% tego „ norma". W przypadku układów populacyjnych przekroczenie średnio 10% wielkości poboru prowadzi do wyjścia tych układów ze stanu stacjonarnego.
Istnieją trzy sposoby tworzenia piramid ekologicznych:
1. Piramida populacji odzwierciedla stosunek liczbowy osobników na różnych poziomach troficznych ekosystemu. Jeśli organizmy na tym samym lub różnych poziomach troficznych różnią się znacznie wielkością, wówczas piramida populacji daje zniekształcony obraz prawdziwych relacji między poziomami troficznym. Na przykład w społeczności planktonu liczba producentów jest dziesiątki i setki razy większa niż liczba konsumentów, a w lesie setki tysięcy konsumentów może żerować na organach jednego drzewa - producenta.
2. Piramida biomasy pokazuje ilość żywej materii, czyli biomasy, na każdym poziomie troficznym. W większości ekosystemów lądowych biomasa producentów, czyli całkowita masa roślin, jest największa, a biomasa organizmów na każdym kolejnym poziomie troficznym jest mniejsza niż poprzednia. Jednak w niektórych społecznościach biomasa konsumentów pierwszego rzędu jest większa niż biomasa producentów. Przykładowo w oceanach, gdzie głównymi producentami są algi jednokomórkowe o wysokim współczynniku reprodukcji, ich roczna produkcja może być dziesiątki, a nawet setki razy większa niż rezerwa biomasy. Jednocześnie wszystkie produkty wytwarzane przez glony tak szybko włączają się do łańcucha pokarmowego, że akumulacja biomasy glonów jest niewielka, jednak ze względu na wysokie tempo reprodukcji niewielka podaż glonów wystarcza do utrzymania tempa odbudowy glonów materia organiczna. Pod tym względem w oceanie piramida biomasy ma odwrotną zależność, tj. jest „odwrócona”. Na wyższych poziomach troficznych dominuje tendencja do akumulacji biomasy, gdyż długość życia drapieżników jest długa, wręcz przeciwnie, tempo rotacji ich pokoleń jest niewielkie, a znaczna część substancji wchodzącej do łańcucha pokarmowego zostaje zatrzymana w ich organizmach. ciało.
3. Piramida energetyczna odzwierciedla wielkość przepływu energii w obwodzie mocy. Na kształt tej piramidy nie ma wpływu wielkość osobników i zawsze będzie ona miała kształt trójkątny z szeroką podstawą u dołu, zgodnie z drugą zasadą termodynamiki. Dlatego piramida energetyczna daje najpełniejszy i najdokładniejszy obraz funkcjonalnej organizacji społeczności, wszystkich procesów metabolicznych w ekosystemie. Jeśli piramidy liczb i biomasy odzwierciedlają statykę ekosystemu (liczbę i biomasę organizmów w danym momencie), to piramida energii odzwierciedla dynamikę przejścia masy pokarmowej przez łańcuchy pokarmowe. Zatem podstawa w piramidach liczb i biomasy może być większa lub mniejsza od kolejnych poziomów troficznych (w zależności od proporcji producentów i konsumentów w różnych ekosystemach). Piramida energii zawsze zwęża się ku górze. Dzieje się tak dlatego, że energia wydatkowana na oddychanie nie jest przenoszona na kolejny poziom troficzny i opuszcza ekosystem. Dlatego każdy kolejny poziom będzie zawsze niższy od poprzedniego. W ekosystemach lądowych spadkowi ilości dostępnej energii towarzyszy zwykle spadek liczebności i biomasy osobników na każdym poziomie troficznym. Ze względu na tak duże straty energii na budowę nowych tkanek i oddychanie organizmów, łańcuchy pokarmowe nie mogą być długie; zwykle składają się z 3-5 jednostek (poziomów troficznych).
Znajomość praw produktywności ekosystemów oraz umiejętność ilościowego rozliczania przepływu energii mają ogromne znaczenie praktyczne, gdyż produkcja zbiorowisk naturalnych i sztucznych (agroienoz) jest głównym źródłem zaopatrzenia ludzkości w żywność. Dokładne obliczenia przepływów energii i skali produktywności ekosystemów pozwalają tak regulować obieg substancji w nich zachodzących, aby uzyskać jak największy uzysk produktów niezbędnych człowiekowi.
Sukcesje i ich rodzaje.
Proces, w wyniku którego zbiorowiska gatunków roślin i zwierząt są z biegiem czasu zastępowane przez inne, zwykle bardziej złożone zbiorowiska, nazywa się sukces ekologiczny, lub po prostu sukcesja.
Sukcesja ekologiczna zwykle trwa do czasu, gdy zbiorowisko stanie się stabilne i samowystarczalne. Ekolodzy wyróżniają dwa typy sukcesji ekologicznej: pierwotną i wtórną.
Sukcesja pierwotna- to konsekwentny rozwój społeczności na terenach ubogich w glebę.
Etap 1 – pojawienie się miejsca pozbawionego życia;
Etap 2 – zasiedlenie w tym miejscu pierwszych organizmów roślinnych i zwierzęcych;
Etap 3 – zadomowienie się organizmów;
Etap 4 – konkurencja i wypieranie gatunków;
Etap 5 – przekształcenie siedliska przez organizmy, stopniowa stabilizacja warunków i zależności.
Dobrze znanym przykładem sukcesji pierwotnej jest osiadanie zastygłej lawy po erupcji wulkanu lub zbocze po lawinie, która zniszczyła cały profil glebowy, obszary eksploatacji odkrywkowej, z której usunięto wierzchnią warstwę gleby itp. Na takich jałowych obszarach sukcesja pierwotna od nagiej skały do dojrzałego lasu może zająć setki, a nawet tysiące lat.
Sukcesja wtórna- konsekwentny rozwój zbiorowisk na obszarze, na którym naturalna roślinność została wyeliminowana lub poważnie naruszona, ale gleba nie została zniszczona. Sukcesja wtórna rozpoczyna się w miejscu zniszczonej biocenozy (las po pożarze). Sukcesja następuje szybko, ponieważ nasiona i części połączeń pokarmowych zostają zachowane w glebie i powstaje biocenoza. Jeśli przyjrzymy się sukcesji na opuszczonych terenach nieużytkowanych rolniczo, zobaczymy, że dawne pola szybko zarastają różnorodną roślinnością jednoroczną. Mogą tu przedostać się także nasiona gatunków drzew: sosny, świerku, brzozy i osiki, pokonując czasem duże odległości przy pomocy wiatru lub zwierząt. Na początku zmiany zachodzą szybko. Następnie, w miarę pojawiania się wolniej rosnących roślin, tempo sukcesji maleje. Sadzonki brzozy tworzą gęsty porost, który zacienia glebę, a nawet jeśli nasiona świerka kiełkują wraz z brzozą, jej sadzonki, znajdujące się w bardzo niesprzyjających warunkach, pozostają daleko w tyle za brzozowymi. Brzoza nazywana jest „pionierem lasu”, ponieważ prawie zawsze jako pierwsza osiedla się na naruszonych terenach i ma szerokie możliwości adaptacyjne. Brzozy w wieku 2-3 lat osiągają wysokość 100-120 cm, jodły w tym samym wieku zaledwie 10 cm Zmiany dotyczą także zwierzęcego składnika omawianej biocenozy. W pierwszych stadiach osiedlają się chrząszcze majowe i ćmy brzozowe, następnie pojawiają się liczne ptaki: zięby, gajówki i gajówki. Zasiedlają małe ssaki: ryjówki, krety, jeże. Zmieniające się warunki oświetleniowe zaczynają korzystnie wpływać na młode choinki, przyspieszając ich wzrost.
Nazywa się stabilny etap sukcesji, w którym zbiorowość (biocenoza) jest w pełni ukształtowana i znajduje się w równowadze ze środowiskiem klimakterium Społeczność klimaksowa jest zdolna do samoregulacji i może pozostawać w stanie równowagi przez długi czas.
W ten sposób następuje sukcesja, w której najpierw brzoza, a następnie mieszany las świerkowo-brzozowy zostaje zastąpiony czystym lasem świerkowym. Naturalny proces zastępowania lasu brzozowego lasem świerkowym trwa ponad 100 lat. Dlatego proces sukcesji nazywany jest czasem zmianą świecką.
18. Funkcje materii żywej w biosferze. Żywa materia - jest to całość organizmów żywych (biomasa Ziemi). Jest to system otwarty, charakteryzujący się wzrostem, rozmnażaniem, dystrybucją, wymianą substancji i energii ze środowiskiem zewnętrznym, akumulacją energii i jej przekazywaniem w łańcuchach pokarmowych. Materia żywa spełnia 5 funkcji:
1. Energia (zdolność pochłaniania energii słonecznej, przekształcania jej w energię wiązań chemicznych i przekazywania jej przez łańcuchy pokarmowe)
2. Gaz (zdolność do utrzymania stałego składu gazowego biosfery w wyniku zrównoważonego oddychania i fotosyntezy)
3. Koncentracja (zdolność organizmów żywych do gromadzenia w swoich organizmach pewnych elementów środowiska, w wyniku czego następuje redystrybucja pierwiastków i powstawanie minerałów)
4. Redox (zdolność zmiany stopnia utlenienia pierwiastków i stworzenia w przyrodzie różnorodności związków wspierających różnorodność życia)
5. Niszczący (zdolność rozkładania martwej materii organicznej, dzięki czemu zachodzi cykl substancji)
- Funkcja wody materii żywej w biosferze jest związana z biogenicznym obiegiem wody, który jest ważny w obiegu wody na planecie.
Wykonując wymienione funkcje, materia żywa przystosowuje się do środowiska i dostosowuje je do swoich potrzeb biologicznych (a jeśli mówimy o człowieku, to społecznych). W tym przypadku materia żywa i jej środowisko rozwijają się jako jedna całość, ale kontrolę nad stanem środowiska sprawują organizmy żywe.
W wyniku złożonych zależności żywieniowych pomiędzy różnymi organizmami, połączenia troficzne (pokarmowe) lub łańcuchy pokarmowe.Łańcuch pokarmowy składa się zwykle z kilku ogniw:
producenci – konsumenci – rozkładający się.
Piramida ekologiczna– ilość materii roślinnej stanowiącej podstawę żywienia jest kilkakrotnie większa niż całkowita masa zwierząt roślinożernych, a masa każdego z kolejnych ogniw łańcucha pokarmowego jest mniejsza od poprzedniego (ryc. 54).
Piramida ekologiczna - graficzne przedstawienie relacji pomiędzy producentami, konsumentami i rozkładającymi się w ekosystemie.
Ryż. 54. Uproszczony schemat piramidy ekologicznej
czyli piramidy liczb (wg Korobkin, 2006)
Graficzny model piramidy został opracowany w 1927 roku przez amerykańskiego zoologa Charlesa Eltona. Podstawą piramidy jest pierwszy poziom troficzny – poziom producentów, a kolejne piętra piramidy tworzą kolejne poziomy – konsumenci różnych rzędów. Wysokość wszystkich bloków jest taka sama, a długość jest proporcjonalna do liczby, biomasy lub energii na odpowiednim poziomie. Piramidy ekologiczne można budować na trzy sposoby.
1. Piramida liczb (obfitość) odzwierciedla liczbę pojedynczych organizmów na każdym poziomie (patrz ryc. 55). Na przykład, aby nakarmić jednego wilka, potrzebuje co najmniej kilku zajęcy, na które będzie mógł polować; Aby nakarmić te zające, potrzebujesz dość dużej różnorodności roślin. Czasami piramidy liczb można odwrócić lub wywrócić do góry nogami. Dotyczy to leśnych łańcuchów pokarmowych, w których drzewa są producentami, a owady głównymi konsumentami. W tym przypadku poziom konsumentów pierwotnych jest liczebnie bogatszy niż poziom producentów (na jednym drzewie żeruje duża liczba owadów).
2. Piramida biomasy – stosunek mas organizmów różnych poziomów troficznych. Zwykle w biocenozach lądowych całkowita masa producentów jest większa niż każde kolejne ogniwo. Z kolei całkowita masa konsumentów pierwszego rzędu jest większa niż masa konsumentów drugiego rzędu itp. Jeśli organizmy nie różnią się zbytnio wielkością, na wykresie zwykle pojawia się piramida schodkowa ze zwężającym się wierzchołkiem. Zatem do wyprodukowania 1 kg wołowiny potrzeba 70–90 kg świeżej trawy.
W ekosystemach wodnych można również uzyskać odwróconą lub odwróconą piramidę biomasy, gdy biomasa producentów jest mniejsza niż biomasa konsumentów, a czasem rozkładających się. Na przykład w oceanie, przy dość wysokiej produktywności fitoplanktonu, jego całkowita masa w danym momencie może być mniejsza niż masa konsumentów konsumenckich (wieloryby, duże ryby, skorupiaki) (ryc. 55).
Ryż. 55. Piramidy biomasy niektórych biocenoz (wg Korobkin, 2004):
P – producenci; RK – konsumenci roślinożerni; PC – konsumenci mięsożerni;
F – fitoplankton; 3 – zooplankton (skrajna na prawo piramida biomasy ma wygląd odwrócony)
Piramidy liczb i biomasy odzwierciedlają statyczny systemy, tj. charakteryzują liczbę lub biomasę organizmów w określonym przedziale czasu. Nie dostarczają pełnej informacji o strukturze troficznej ekosystemu, choć pozwalają na rozwiązanie szeregu problemów praktycznych, szczególnie związanych z utrzymaniem trwałości ekosystemów. Piramida liczb pozwala na przykład obliczyć dopuszczalną wielkość połowu ryb lub odstrzału zwierząt w okresie polowań bez konsekwencji dla ich prawidłowego rozmnażania.
3. Piramida Energii odzwierciedla ilość przepływu energii, prędkość przejścia masy żywnościowej przez łańcuch pokarmowy. Na strukturę biocenozy w większym stopniu wpływa nie ilość ustalonej energii, ale tempo produkcji żywności (ryc. 56).
Ustalono, że maksymalna ilość energii przeniesionej na kolejny poziom troficzny może w niektórych przypadkach wynosić 30% poprzedniego i tak jest w najlepszym przypadku. W wielu biocenozach i łańcuchach pokarmowych ilość przekazywanej energii może wynosić tylko 1%.
Ryż. 56. Piramida energii (prawo 10% lub 10:1),
(według Cwietkowej, 1999)
W 1942 r. sformułował to amerykański ekolog R. Lindeman prawo piramidy energii (prawo 10 proc.), zgodnie z którą średnio około 10% energii otrzymanej na poprzednim poziomie piramidy ekologicznej przechodzi z jednego poziomu troficznego przez łańcuchy troficzne na inny poziom troficzny. Pozostała część energii jest tracona w postaci promieniowania cieplnego, ruchu itp. Organizmy w wyniku procesów metabolicznych tracą w każdym ogniwie łańcucha pokarmowego około 90% całej energii wydatkowanej na utrzymanie ich funkcji życiowych .
Jeśli zając zjadł 10 kg materii roślinnej, jego waga może wzrosnąć o 1 kg. Lis lub wilk, zjadając 1 kg mięsa zajęczego, zwiększa swoją masę zaledwie o 100 g. U roślin drzewiastych proporcja ta jest znacznie niższa ze względu na słabe wchłanianie drewna przez organizmy. W przypadku traw i wodorostów wartość ta jest znacznie większa, ponieważ nie mają one trudnych do strawienia tkanek. Jednakże ogólny schemat procesu przenoszenia energii pozostaje niezmienny: znacznie mniej energii przechodzi przez wyższe poziomy troficzne niż przez niższe.
Dlatego łańcuchy pokarmowe nie mogą mieć zwykle więcej niż 3–5 (rzadko 6) ogniw, a piramidy ekologiczne nie mogą składać się z dużej liczby pięter. Końcowe ogniwo łańcucha pokarmowego, podobnie jak najwyższe piętro piramidy ekologicznej, otrzyma tak mało energii, że nie wystarczy jej w przypadku wzrostu liczby organizmów.
Można to przedstawić graficznie w postaci tzw. piramid ekologicznych. Podstawą piramidy jest poziom producentów, a kolejne poziomy żywienia tworzą podłogi i szczyt piramidy. Istnieją trzy główne typy piramid ekologicznych:
- Piramida liczb odzwierciedlająca liczbę organizmów na każdym poziomie;
- Piramida biomasycharakteryzująca masę żywej materii - całkowita sucha masa, zawartość kalorii itp.;
- Piramida produkcji (energii) o charakterze uniwersalnym, ukazująca zmianę produkcji pierwotnej (energii) na kolejnych poziomach troficznych.
Regularny piramidy liczb w przypadku łańcuchów pastwiskowych mają one bardzo szeroką bazę i ostre zwężenie w kierunku konsumentów końcowych. W tym przypadku liczba „kroków” różni się co najmniej o 1-3 rzędy wielkości. Dotyczy to jednak tylko zbiorowisk zielnych - biocenoz łąkowych lub stepowych.
Obraz zmienia się radykalnie, jeśli weźmiemy pod uwagę zbiorowiska leśne (na jednym drzewie mogą żerować tysiące fitofagów) lub jeśli na tym samym poziomie troficznym pojawią się tak różne fitofagi, jak mszyce i słonie. To zniekształcenie można przezwyciężyć piramidy biomasy.
W ekosystemach lądowych biomasa roślin jest zawsze znacznie większa niż biomasa zwierząt, a biomasa fitofagów jest zawsze większa niż biomasa zoofagów.
Piramidy biomasy dla ekosystemów wodnych, zwłaszcza morskich, wyglądają inaczej: biomasa zwierząt jest zwykle znacznie większa niż biomasa roślin. Ta „niepoprawność” wynika z faktu, że piramidy biomasy nie uwzględniają czasu trwania pokoleń osobników na różnych poziomach troficznych, tempa powstawania i zużycia biomasy. Głównym producentem ekosystemów morskich jest fitoplankton, który charakteryzuje się dużym potencjałem rozrodczym i szybką zmianą pokoleń. W czasie, aż drapieżne ryby (a tym bardziej morsy i wieloryby) zgromadzą swoją biomasę, zmieni się wiele pokoleń fitoplanktonu, którego całkowita biomasa jest znacznie większa. Dlatego uniwersalnym sposobem wyrażenia struktury troficznej ekosystemów jest piramida tempa powstawania żywej materii, innymi słowy piramida energii.
Zasadą jest doskonalsze odzwierciedlenie wpływu relacji troficznych na ekosystem piramidy produktów (energia): Na każdym poprzednim poziomie troficznym ilość biomasy wytworzonej w jednostce czasu (lub energii) jest większa niż na następnym. Piramida produkcji odzwierciedla prawa wydatkowania energii w łańcuchach troficznych.
Ostatecznie wszystkie trzy zasady piramidy odzwierciedlają relacje energetyczne w ekosystemie, a piramida produktu (energii) ma charakter uniwersalny.
W przyrodzie, w układach stabilnych, biomasa ulega niewielkim zmianom, tj. przyroda stara się wykorzystać całą swoją produkcję brutto. Znajomość energii ekosystemu i jej wskaźników ilościowych pozwala trafnie uwzględnić możliwość usunięcia określonej ilości biomasy roślinnej i zwierzęcej z naturalnego ekosystemu bez naruszenia jego produktywności.
Człowiek otrzymuje całkiem sporo produktów z systemów naturalnych, jednak głównym źródłem pożywienia dla niego jest rolnictwo. Po stworzeniu agroekosystemów człowiek stara się uzyskać jak najwięcej czystych produktów roślinnych, ale połowę masy roślinnej musi wydać na karmienie roślinożerców, ptaków itp., znaczna część produktów trafia do przemysłu i jest tracona w odpadach , tj. i tutaj traci się około 90% produkcji netto, a tylko około 10% jest bezpośrednio wykorzystywane do spożycia przez ludzi.