Заняття 3. Перетворення енергії та речовини в екосистемі. Екологічні піраміди.

1. Перетворення єнергії в екосистемі.
2. Ланцюги живлення.
3. Трофічна сітка.
4. Екологічні піраміди.
5. Розв’язування типових задач з екології

 1. Функціонування будь-якого біогеоценозу, як і окремого організму, пов'язане з перетворенням енергії. Енергія потрібна всім організмам для забезпечення процесів життєдіяльності: росту, розмноження, рухової активності тощо. Так само, як і окремі організми, біогеоценози - відкриті системи, тому вони потребують постійного надходження енергії ззовні. Простежимо, які саме перетворення енергії відбуваються в біогеоценозах. Основним джерелом енергії, що надходить до біогеоценозу ззовні, є сонячне світло. Як вам відомо, її вловлюють фотосинтезуючі організми. Гетеротрофні організми дістають необхідну їм енергію внаслідок розщеплення органічних речовин, які надійшли до них з їжею.


Лише незначну частину сонячної енергії, що досягає поверхні Землі (приблизно 1%), вловлюють зелені рослини, інша ж її частина відбивається в космос або розсіюється у вигляді тепла. Частину засвоєної енергії вони використовують на забезпечення власних процесів життєдіяльності, а частину - запасають у вигляді синтезованих ними органічних сполук.

Організми, які споживають зелені рослини, також запасають лише частину енергії, одержану з їжею (близько 10-20%), іншу - розсіюють у вигляді тепла, витрачають на забезпечення процесів життєдіяльності.

Те саме відбувається і при поїданні рослиноїдних видів хижаками тощо. Отже, на кожному з етапів передачі енергії від одних організмів до інших, більша її частина розсіюється у вигляді тепла і лише незначна частка (10-20%) запасається у вигляді енергії хімічних зв'язків синтезованих органічних сполук. Основним джерелом енергії, що надходить до біогеоценозу ззовні, є сонячне світло. Як вам відомо, її вловлюють фотосинтезуючі організми. Гетеротрофні організми дістають необхідну їм енергію внаслідок розщеплення органічних речовин, які надійшли до них з їжею.

 2. Ми можемо створити уявний ряд організмів, у якому особини одного виду, їхні рештки або продукти життєдіяльності слугують об'єктом живлення для представників іншого виду. Такі ряди організмів називають ланцюгами живлення.
Ланцюги живлення — це ряди взаємопов’язаних видів, у яких кожний попередній
є об’єктом живлення наступного.
Для виконання завдань з стабілізації речовини існує кілька рівнів переробки органіки з певною спеціалізацією:


Продуценти - рослини і найпростіщі що здатні до вловлювання єнергії сонця (фотосинтез), або джерел хімічних сполук (хемосинтез). За рахунок цієї енергії вони будують з вуглекислого газу та води біомлекули. Так енергія акумулюється і консервується в їхній речовині.



Консументи - більшість видів тварин які використовуєють нагромаджену продуцентами енергію безпосередньо (рослиноїдні), або опосередковано живлячись консументами нижчих рівнів (хижаки). Людина належить до консументів з широким спектром живлення.


Редуценти - відновлювачі, до яких належать бактерії і гриби що здатні розкладати складні біомолекули до гранично простих неорганічних сполук (вода, вуглекислий газ, сполуки азоту).

Кожен ланцюг живлення складається з певної кількості видів, тобто окремих ланок. При цьому кожен з цих видів займатиме в ланцюзі живлення певне положення, або трофічний рівень. На початку ланцюгів живлення, як правило, перебувають продуценти, тобто автотрофні організми. А трофічний рівень консументів (гетеротрофних організмів) визначають тією кількістю ланок, через яку вони дістають енергію від продуцентів.

Так, рослиноїдні тварини займають трофічний рівень, наступний за продуцентами. Тому їх називають консументами І порядку. Далі йде рівень хижаків, які живляться рослиноїдними видами (консументи II порядку) тощо.

Якщо консументи споживають різні види їжі, то в різних ланцюгах живлення вони можуть займати різні трофічні рівні. Наприклад, сіра ворона може поїдати зерно (консумент І порядку), пташенят зерноїдних (консумент II порядку) чи комахоїдних (консумент III порядку) птахів.

Частина біомаси відмерлих продуцентів (наприклад, листяний опад), яка до цього не була спожита консументами, а також рештки чи продукти життєдіяльності самих консументів (наприклад, трупи, екскременти тварин), складають кормову базу редуцентів. Редуценти дістають необхідну їм енергію, розкладаючи органічні сполуки до неорганічних.

Отже, в біогеоценозі енергія накопичується у вигляді хімічних зв'язків органічних сполук, синтезованих продуцентами з неорганічних речовин. Далі вона проходить через організми консументів і редуцентів, але при цьому на кожному з трофічних рівнів частково розсіюється у вигляді тепла. Наприкінці ланцюга живлення, енергія, яка зберігається в мертвій органіці, остаточно розсіюється у вигляді тепла при руйнуванні її редуцентами.

 Оскільки під час передачі енергії з одного трофічного рівня на наступний, вищий, більша її частина втрачається для організмів, то кількість можливих ланок ланцюга живлення обмежена. Як правило, вона не перевищує чотирьох-п'яти. Можна також зробити висновок, що оскільки при передачі енергії від нижчого трофічного рівня на вищий більша її частина розсіюється у вигляді тепла, колообіг енергії в біогеоценозі, на відміну від колообігу речовин, неможливий. Для нормального функціонування біогеоценозу необхідне постійне надходження певної кількості енергії ззовні, яка компенсує її втрати живими організмами.

 3. У будь-якому біогеоценозі різні ланцюги живлення не існують окремо один від одного, а переплітаються між собою. Це відбувається тому, що організми певного виду можуть бути ланками різних ланцюгів живлення. Наприклад, особини одного виду птахів можуть споживати як рослиноїдні (консументи II порядку), так і хижі види комах (консументи III порядку) тощо. Отже, переплітаючись, різні ланцюги живлення формують трофічну сітку біогеоценозу. Розгалужені трофічні сітки забезпечують стійкість біогеоценозів, оскільки при зменшенні чисельності певних видів (чи, навіть, за умови їхнього зникнення з даного біогеоценозу), види, які ними живляться можуть переключатись на інші об'єкти живлення. Внаслідок цього сумарна продуктивність біогеоценозу залишається стабільною.

Отже, основу будь-якого біогеоценозу складають зелені рослини, здатні вловлювати енергію сонячного світла і переводити її в енергію хімічних зв'язків синтезованих ними органічних сполук. Тому мешканці дна морів і печер, тобто місцеіснувань, куди не доходить сонячне світло, не формують окремих біогеоценозів. Вони - лише компоненти більших біогеоценозів і функціонують за рахунок надходження органічної речовини з тих їхніх частин, де є продуценти.

 4. Різні біогеоценози відрізняються за своєю продуктивністю. Ви вже знаєте, що є різні ланцюги живлення. Але всім їм властиві певні співвідношення продукції (тобто біомаси з енергією, що витрачаються і запасаються на кожному з трофічних рівнів). Ці закономірності дістали назву правила екологічної піраміди: на кожному попередньому трофічному рівні кількість біомаси і енергії, які запасаються організмами за одиницю часу, значно більші, ніж: на наступному (в середньому в 5-10 разів).

Правило екологічної піраміди: кожна з ланок ланцюга живлення може використати лише 5–15 % енергії їжі для побудови речовини свого ті­ла. Внаслідок неминучої втрати енергії кількість утворюваної органічної речовини в кожній наступній ланці зменшується. Таким чином, кожен ланцюг живлення містить, як правило, не більше ніж 4–5 ланок, оскільки внаслідок втрати енергії загальна біомаса кожної наступ­ної ланки приблизно в 10 разів менша за попередню. Ця закономірність називається правилом екологічної піраміди. Екологічна піраміда буває трьох типів:


•         піраміда чисел — відображує чисельність окремих організмів на кож­ному рівні, причому загальне число особин, що беруть участь у ланцюгах живлення, з кожним наступним рівнем зменшується;

•         піраміда біомаси — відображує кількісне співвідношення маси органічної речовини на трофічних рівнях; при цьому сумарна маса рослин виявляється більшою, ніж біомаса всіх травоїдних організмів, маса яких, у свою чергу, перевищує масу всіх хижаків;

•         піраміда енергії — відображує кількість енергії, яка запасається (в їжі) на кожному рівні, причому на кожному наступному трофічному рівні кількість біомаси, що утворюєть­ся за одиницю часу, є більшою, ніж на попередньому.

Усі три типи пірамід — продукції, біомаси і чи­сел — виражають у підсумку енергетичне співвідношення в екосистемах. Перші два правила виявляються в угрупо­ваннях із певною трофічною структурою, останнє (піра­міда продукції) має універсальний характер.

Знання законів продуктивності екосистем і кількіс­ний облік потоку енергії мають велике практичне значен­ня. Уміння точно розрахувати потік енергії і масштаби продукції екосистем дозволяє одержати найбільший ви­хід продукції, необхідної людині.

 5.  Користуючись правилом екологічної піраміди визначити, яка площа (в га) біоценозу може прогодувати одну особину останньої ланки в ланцюгу живлення:
- планктон-риба-тюлень (300 кг);
- планктон-нехижі риби-щука (10 кг);
Суха біомаса планктону з 1кв.м становить 600 г за рік.
Із вказаної у дужках маси 60% становить вода.
1). Визначаємо суху масу тюленя: 300 кг --- 100%
х кг ---- 40%
х = 120 кг
2). На підставі правила екологічної піраміди визначаємо, скільки потрібно планктону: 120 кг тюлень
1200 кг риба
12000 кг планктон
3). Визначаємо площу даного біоценозу, якщо відомо, що суха біомаса планктону з 1 кв.м становить 600 г.
Отже, 1 кв.м ----0,6 кг
х кв.м ---- 1200 кг
х = 20000 кв.м = 2 га
Відповідь: необхідно 2 га планктону.

Терміни: правило екологічної піраміди, піраміда чисел, піраміда біомаси, піраміда енергії, ланцюги живлення, консументи,  продуценти, редуценти.