В чем суть экологической пирамиды

Экологическая пирамида — это

Экология — это сравнительно молодая наука. Ее основной понятийный аппарат начал формироваться только в XX веке. Так, понятие «экосистема» было введено в научный обиход только в 1935 году, в то время как впервые попытка графически отобразить структуру природных сообществ в виде пирамид была предпринята в 1927 году. Первоначально эта модель называлась «пирамида чисел». Огромный вклад в развитие представлений об экологических пирамидах внесли Элтон и Линдеман. В Советском Союзе подобные идеи развивал Владимир Станчинский (1882—1942), но его идеи не были поняты соотечественниками и сам он подвергся репрессиям.

Центральным объектом изучения в экологии являются экосистемы. Они представляют собой совокупность компонентов живой и неживой природы, объединенных множеством связей и длительное время существующих на определенном пространстве. У них нет четких границ и точных размеров, тем не менее, их можно описывать и изучать как относительно устойчивые образования.

Для удобства исследования экосистем учеными используется их наглядное отображение в виде пирамиды. Несмотря на всю условность этих схем, они позволяют проследить определенные закономерности функционирования природных сообществ, а также оценить их устойчивость.

Первые подобные модели были представлены перед научным сообществом в 1927 году ученым Элтоном. Спустя сто лет они по-прежнему остаются актуальными.

Источник: wikipedia.org

Впервые Элтон представил концепцию ЭП в своей книге «Экология животных» («Animal Ecology»). В ней он сформулировал такие основополагающие понятия, как «цепь питания», «пирамида чисел», «трофические связи» и другие.

Также можно использовать синонимичный термин «трофическая цепь». Слово «трофический» произошло от греческого «τροφή», что буквально означает «пища».

Пример простейшей пищевой цепи, состоящей из четырех уровней:

1. Кустарники и деревья — самостоятельно синтезируют себе пищу с помощью солнечного света. Зеленые растения содержат фотосинтетические пигменты, в которых происходят сложные процессы преобразования видимого света в энергию химических связей органических веществ.
2. Зайцы — питаются листвой кустарников и корой деревьев. Например, в теплое время года они поедают клевер и тысячелистник, веточки берез и рябин. Зимой они питаются корой молодых деревьев, поскольку другая растительная пища им недоступна.
3. Лисы — являются хищниками, питаются разными мелкими животными, в том числе зайцами.
4. Бактерии — разлагают тело лисы и возвращают его в почву в виде различных элементов, которые обеспечивают условия для роста травы.

На примере этой трофической цепи можно проследить, что в экосистеме происходит непрерывный круговорот вещества и энергии.

В зависимости от типа питания выделяют три основных группы организмов:

1. Продуценты — это растения и некоторые виды бактерий, способные производить собственную пищу с помощью фотосинтеза или хемосинтеза. Они производят органические соединения из неорганики. Находятся внизу пирамиды. Также называются автотрофами.
2. Консументы — это биологические виды, которые не способны производить органику, а питаются уже готовыми органическими веществами. Также их именуют гетеротрофами. К ним относятся как травоядные животные, так и хищники. Первые питаются автотрофами, вторые — гетеротрофами. Травоядные занимают следующую ступень в ЭП после продуцентов. На 3-й и 4-й ступенях могут размещаться хищники.
3. Редуценты (деструкторы) — это микроорганизмы и грибы, которые разлагают органику и возвращают ее в почву в виде минеральных элементов. Также они называются сапротрофы.

Основные задачи, которые могут решать ЭП:

1. Наглядно-иллюстративные — пирамиды позволяют визуально увидеть структуры экосистемы в обобщенно-схематическом виде. Это используется как в учебных, так и в исследовательских целях.
2. Цифровые — помогают количественно отразить движение питательных веществ и энергии по трофическим цепям. Несмотря на приблизительность подобных расчетов, это дает ценные материалы для аналитических исследований и прогнозирования.
3. Аналитические — анализ экологических пирамид может помочь определить устойчивость и здоровье природных сообществ. Например, если вершина пирамиды широкая, это может указывать на неустойчивость в экосистеме из-за изобилия хищников.
4. Управленческие — полученные на основе анализа ЭП данные могут использоваться для принятия решений об управлении природными ресурсами. Например, это помогает выявить уязвимые места в экосистеме и разрабатывать стратегии для сохранения биологического разнообразия.

Виды

Существуют разные виды ЭП. Обычно экологи отдельно изучают два типа трофических цепей в экосистемах:

• пастбищные — это цепи поедания;
• детритные — это цепи разложения.

Экологические пирамиды чаще всего изображают для цепей поедания. Они обычно состоят не более чем их четырех — пяти ступеней.

В зависимости от главного характера отображаемой информации на графической модели выделяют три основных типа ЭП:

1. Пирамида чисел — в ней отражается количество особей на каждой ступени экосистемы. Обычно верхняя ступень пирамиды содержит меньше организмов, чем нижние уровни, что отражает уменьшение численности популяции по мере передачи энергии вдоль трофической цепи.
2. Пирамида биомассы — в ней отображается суммарное количество органических веществ на каждом трофическом уровне. Она демонстрирует уменьшение биомассы с каждой последующей ступенью. Обычно в качестве единиц измерения для нее используются масса в граммах сырого или сухого вещества на один квадратный или кубический метр. Также она может измеряться в килограммах на гектар. Крупные размеры биомассы вычисляются в тоннах.
3. Пирамида энергии — по ней можно проследить количество энергии, которое доступно на каждой ступени экосистемы. По мере передачи энергии от продуцентов к потребителям верхних уровней ее количество уменьшается. Поэтому эта пирамида всегда имеет широкое основание и узкую верхушку.

Источник: profil.adu.by

В чем сущность правила экологической пирамиды

Экологическая пирамида показывает, что количество энергии или биомассы уменьшается с каждым последующим уровнем, так как часть энергии теряется в виде тепла при передаче от одного уровня к другому. Поэтому верхние уровни пирамиды обычно содержат меньше организмов, чем нижние.

Правило Линдемана является одним из ключевых принципов в экологии, связанным с передачей энергии в экосистеме. Его еще называют «Правило 10 %». Это правило было сформулировано молодым ученым Линеманом в 1942 году на основе его исследований водных экосистем Миннесоты.

Источник: cbs.umn.edu

Согласно правилу Линдемана, при передаче энергии от одного трофического уровня к другому, обычно переносится только около 10% от ее количества. То есть лишь небольшая часть энергии, полученной организмами на одном уровне, переходит к организмам на следующей ступени. Остальная часть энергии теряется в виде тепла при обмене веществ и жизнедеятельности организмов.

Это правило подчеркивает неэффективность передачи энергии в экосистеме и объясняет, почему каждый последующий трофический уровень содержит меньше биомассы и энергии, чем предыдущий. Правило Линдемана помогает понять структуру и функционирование экосистем, а также оценить энергетическую эффективность пищевых цепей. Правило Линдемана хорошо работает для пирамиды энергии и биомассы, но его сложно применять для пирамиды чисел, поскольку количество особей в популяции сильно варьирует и может значительно отличаться от описанной закономерности.

Также в основе функционирования ЭП лежат следующие принципы:

1. Принцип взаимосвязи — пирамида отражает сложную систему взаимосвязей, которые существуют в биоценозе. Каждый трофический уровень представляет собой определенное звено в трофической цепи.
2. Принцип открытости — экологическая пирамида является открытой системой. Она отражает взаимодействие организмов в экосистеме и поток энергии и веществ через нее. Экосистемы, которые представлены в виде экологических пирамид, обмениваются энергией и веществами с окружающей средой.
3. Принцип сужения — основание пирамиды энергии всегда шире, чем верхние уровни. Это связано с тем, что на первом трофическом уровне находятся продуценты, которые являются источником энергии для всей экосистемы.

Примеры

Ниже приведены примеры ЭП с краткой характеристикой.

Источник: profil.adu.by

На иллюстрации представлены две экологические пирамиды биомассы — луговая и морская.

Луговая ЭП:

1. Трофический уровень I — продуценты представлены разными видами луговых трав (одуванчики, клевер, пижма и другие).
2. Трофический уровень II — в качестве консументов 1-го порядка здесь выступают гусеницы, бабочки, жуки и другие насекомые, поедающие траву.
3. Трофический уровень III — это консументы 2-го порядка. Они представлены воробьями, жаворонками и другими мелкими птицами. Они питаются насекомыми, то есть консументами 1-го порядка.
4. Трофический уровень IV — это консументы 3-го порядка. В этой экосистеме в их качестве выступают крупные хищные птицы.

Согласно правилу Линдемана, на первом уровне будет находиться 1000 кг органического вещества, на втором — 100 кг, на третьем — 10 кг, на четвертом — 1 кг. То есть теоретически на каждый 1 кг органического вещества хищной птицы должна быть затрачена 1 тонна луговых трав. Это приблизительные подсчеты, поскольку в реальной экосистеме всё устроено гораздо сложнее и приходится учитывать множество дополнительных факторов.

В морской ЭП уровни будут выглядеть следующим образом:

1. Трофический уровень I — это фитопланктон. Он представляет собой базу пищевой цепи для всех остальных организмов
2. Трофический уровень II — консументы первого порядка получают энергию, питательные вещества и органические соединения от продуцентов. Например, на этом уровне могут быть моллюски, ракообразные, морские черви, мелкая рыба.
3. Трофический уровень III — небольшие и средние хищные рыбы (например, щуки или сазаны).
4. Трофический уровень IV — крупные хищные рыбы (например, акулы).

В морских экосистемах биомасса может увеличиваться по мере продвижения по пищевой цепи от первичных продуцентов к хищникам, что создает перевёрнутую пирамиду биомасс.

В ЭП энергии в качестве единицы измерения обычно берутся калории или джоули на один квадратный метр.

Например, лесная биомасса экосистемы содержит энергии 10 000 ккал/м². При переходе на второй трофический уровень теряется 90 % энергии. Олени, которые питаются растительной пищей лесной экосистемы, получат энергию в количестве 1 000 ккал/м². К консументам второго порядка (например, волкам) переходит 100 ккал/м².