Раздел 7. Закон оптимума. Закон минимума. Биологические ритмы. Фотопериодизм

• Название: Закон оптимума. Закон минимума. Биологические ритмы. Фотопериодизм
• Анкор: Раздел 7.docx
• Дата: 24.04.2017
• Размер: 2.88 Mb.
• Имя файла: Раздел 7.docx
• Тип: Закон; #4374
• страница: 3 из 6

Цепи и сети питания, их звенья. Трофические уровни
Каждый организм в биогеоценозе связан с остальными положительными либо отрицательными взаимодействиями. Первые смягчают действие факторов окружающей среды, обеспечивая питание, размножение и возможность защиты, а вторые, наоборот, зачастую несут угрозу самому существованию данного организма.

Ряд взаимосвязанных видов, каждый предыдущий из которых служит пищей последующему, носит название цепи питания, или пищевой (трофической) цепи. Пищевая цепь обеспечивает перенос энергии, заключенной в органических веществах, от продуцентов через ряд организмов путем поедания одних видов другими.

При переносе энергии значительная ее часть (80-90%) рассеивается в виде тепла, поэтому большинство пищевых цепей содержат 3-5 звеньев. Например, мышь-полевка питается зерновками пшеницы, а ее саму может съесть лисица. В водных экосистемах пищевые цепи обычно длиннее, чем в наземных, и могут содержать консументы вплоть до 4-го порядка. Так, в зоне континентального шельфа фитопланктон (диатомовые водоросли и жгутиковые) является пищей для зоопланктона (веслоногих ракообразных, личинок крабов и криля), которых, в свою очередь, потребляют головоногие моллюски, а ими питаются пеламиды и тунцы.

Судя по результатам недавних исследований, длина пищевых цепей ограничивается и другими факторами. Возможно, существенную роль играют доступность предпочитаемой пищи и территориальное поведение, снижающее плотность расселения организмов, а значит и численность консументов высших порядков в конкретном местообитании.

В экосистемах различают два типа цепей питания: цепи выедания и цепи разложения. Рассмотренные выше пищевые цепи, которые начинаются с продуцентов (растений) и идут к консу- ментам различных порядков (растительноядным животным, а затем — к хищникам), называются цепями выедания, или пастбищными цепями.

В отличие от них, в цепях разложения, или детритных цепях, источником органического вещества являются растительные и животные остатки, экскременты животных, которыми питаются мелкие животные (ракообразные, моллюски), а также микроорганизмы. Полуразложившаяся масса органических остатков вместе с перерабатывающими ее микроорганизмами называется детритом. Так, в мангровых зарослях насекомые потребляют всего около 5% биомассы растений, а ее остаток попадает в воду и переносится на значительные расстояния. Существование детритных цепей не является бесполезным, поскольку обеспечивает завершение круговорота веществ в биогеоценозах. Кроме того, включенные в эти цепи организмы являются одновременно пищей для консументов цепей выедания (например, в лесу может существовать такая цепь: листовой опад — дождевой червь — черный дрозд — ястреб-перепелятник).

Для различных участков биоценозов характерны неодинаковые цепи питания. Так, на суше и на континентальном шельфе большая часть растительной биомассы попадает в цепи разложения, тогда как в открытом море преобладают цепи выедания.

Пищевые цепи биогеоценоза сложно переплетаются вследствие того, что одни и те же организмы могут питаться несколькими видами других, служить пищей нескольким видам, а также входить одновременно в цепи выедания и цепи разложения. Поэтому в реальных биогеоценозах комплексы взаимосвязанных трофических цепей образуют пищевые сети.

Пищевые сети и цепи внутри каждого биогеоценоза имеют хорошо выраженную структуру, поскольку в них можно выделить группы организмов, объединенных общим типом питания. Например, на лугу злаки, клевер, полевая герань и другие растения — это продуценты, тогда как кузнечики, жуки-листоеды, гусеницы различных видов бабочек и мыши-полевки являются консументами 1-го порядка, ящерицы, трясогузки и малиновки — консументами 2-го порядка. Такие группы организмов относят к одному трофическому уровню.
Правила экологической пирамиды
Поскольку трофические уровни различаются по ряду показателей, соотношение между ними в экосистеме можно изобразить графически — в виде экологической пирамиды.

Существует три вида экологических пирамид: пирамида чисел, пирамида биомассы и пирамида энергии.

Пирамида чисел отражает численность особей на каждом трофическом уровне.

Пирамида биомассы базируется на количестве сухого органического вещества (рис. 7.3).



Пирамида энергии базируется на количестве энергии, заключенной в особях на каждом трофическом уровне.

В тех случаях, когда количество или масса продуцентов меньше, чем масса консументов, основание пирамиды меньше, чем ее вершина, и она оказывается перевернутой. Например, в дубовом лесу число деревьев невелико по сравнению с количеством насекомых, питающихся их тканями и опадом, а в глубоководных участках экосистемы биомасса продуцентов ничтожна, и органическое вещество поступает из других участков водоема. Перевернутыми могут быть исключительно пирамиды чисел и биомассы, тогда как пирамида энергии всегда суживается кверху.

Экологические пирамиды предоставляют наглядную основу для сопоставления разных экосистем, сезонных состояний одной и той же экосистемы, а также разных фаз изменения экосистемы. Кроме того, составление экологических пирамид дает человеку возможность получить максимальный выход продукции экосистемы. Пирамиды энергии считаются наиболее важными, поскольку они непосредственно обращаются к основе пищевых отношений — потоку энергии, необходимой для жизнедеятельности любых организмов.

Основой для составления пирамиды энергии является продуктивность экосистемы — количество энергии, производимое ею за определенный период времени. Несмотря на то, что продуценты могут запасать значительные количества энергии в химических связях органических веществ, они сами частично расходуют ее на процессы дыхания. Большие или меньшие количества энергии (обычно 80-90%) теряют на каждом последующем трофическом уровне консументы, сохраняя лишь около 10%, а в конечном итоге устойчивый биогеоценоз расходует ее на собственное функционирование практически полностью. На основе этой закономерности сформулировано правило экологической пирамиды, или правило 10 %: в каждом последующем звене цепи питания количество энергии уменьшается в 10 раз.

Основной проблемой, связанной с применением экологических пирамид, является точное и полное распределение организмов по трофическим уровням, так как многие консументы добывают пищу сразу на нескольких трофических уровнях, а растения не всегда целесообразно полностью включать в состав продуцентов, поскольку они содержат ряд нефотосинтезирующих частей или даже являются паразитами (повилика, заразиха).
Составление схем передачи веществ и энергии (цепей и сетей питания)
Простое перечисление видов, обитающих на определенном участке территории или акватории, не дает полной информации об экосистеме, поскольку за рамками такого списка остаются взаимосвязи этих организмов. К тому же изучение пищевых цепей и сетей биогеоценозов предоставляет необходимые сведения о потоке энергии и веществ в экосистеме.

Для удобства записи цепи питания ее звенья записывают в строку слева направо, начиная с продуцентов, за которыми следуют консументы 1-го, 2-го порядков и т. д. Звенья пищевой цепи соединяют между собой стрелками, указывающими направление потока вещества и энергии. Например, на лугу злаки являются пищей для кузнечиков, которых потребляют мелкие насекомоядные птицы, а уже ими питаются змеи, опасность для которых представляют ежи. Эта пищевая цепь будет иметь следующий вид:
злаки →кузнечики →насекомоядные птицы → змеи →ежи.

Из данной записи видно, что злаки являются продуцентами, кузнечики — консументами 1-го порядка, птицы — консументами 2-го порядка, а змеи и ежи — консументами 3-го и 4-го порядка соответственно.

Иногда требуется составить пищевую цепь, руководствуясь лишь перечнем видов организмов, входящих в нее. В таком случае следует проанализировать не столько их систематическую принадлежность, сколько способ питания. Например, необходимо составить пищевую цепь по следующим данным: в африканской саванне широко распространены гепарды, антилопы, акации и гиены.

Сначала выделяем из предложенных видов продуценты — это растения (акации). Они, вне всякого сомнения, должны стоять на первом месте, поскольку все остальные виды — это животные (гетеротрофы). Теперь распределяем консументов согласно их положению в трофической цепи: антилопы являются растительноядными животными, гепарды — хищниками, гиены же — падалыцики.
Таким образом, пищевая цепь будет иметь следующий вид:

акации → антилопы → гепарды → гиены.

Однако возможна и более короткая цепь, в которой будет отсутствовать третье звено, поскольку гиены могут питаться и погибшими от бескормицы, болезней, ран или старости антилопами.

Аналогично следует поступить, если, имея список растений и животных, требуется составить пищевую сеть. Например, нам даны волк, лиса, лось, белка, бобр, сосна лесная, клен, заяц-беляк, пихта, осина и рогоз. Учитывая тот факт, что каждый компонент этой трофической сети может служить пищей одному или нескольким другим и иметь более чем один источник питания, получим следующую трофическую сеть (рис. 7.4).

Решение экологических задач

Задача 1. Постройте пищевую цепь экосистемы леса, в которой продуцентами являются древесные растения, а консументом высшего порядка — ястреб.

Решение.

Поскольку растения — это продуценты, в пищевой цепи они займут первую позицию:

растение →

Их тканями могут питаться многие насекомые, например тля, которая сосет флоэмный сок. Тля будет являться консументом 1-го порядка:

растение →тля →
Как известно, тлю истребляют божьи коровки, которых применяют даже в садах и на полях вместо ядохимикатов:

растение →тля → божья коровка →
Божьими коровками могут питаться немногие птицы из-за их предупреждающей окраски, однако к таковым относятся и скворцы:
растение → тля →божья коровка→ скворец →
Скворец вполне может стать добычей ястреба, который и завершит данную пищевую цепь, будучи консументом 4-го порядка:

растение → тля → божья коровка → скворец →ястреб.
Ответ: растение → тля → божья коровка → скворец → ястреб.
Задача 2. В упрощенной экосистеме африканской саванны имеется четыре компонента: растения (акации), травоядные (антилопы), хищники (гепарды) и падалыцики (гиены). Какие организмы занимают в этой экосистеме второй трофический уровень?

Решение.

Поскольку продуцентами являются только акации, а все остальные — консументами, растения оказываются в начале пищевой цепи:

акации →

Антилопы относятся к травоядным, гепарды — к хищникам, а гиены — к падалыцикам. Следовательно, пищевая цепь приобретает вид:

акации →антилопы → гепарды → гиены.

Из этой пищевой цепи видно, что именно антилопы занимают второй трофический уровень. Ответ: антилопы.
Задача 3. Какое количество чаек может прокормиться на участке акватории моря, на котором в год образуется 1200 кг сухой массы фитопланктона? Масса чайки составляет 1 кг (сухое вещество — 40%), чайка питается рыбой, а рыба — фитопланктоном. При решении задачи следует учитывать правило экологической пирамиды.

Решение.

Прежде всего, исходя из данных задачи, следует составить пищевую сеть:

фитопланктон → рыба → чайка.

Из этой цепи следует, что пирамида биомасс будет трехуровневой, и, согласно правилу 10 %, или правилу экологической пирамиды, биомассы чайки будет в 100 раз меньше биомассы фитопланктона:

чайка — 1 %;

рыба — 10%;

фитопланктон — 100%.

Помня о том, что в основу пирамиды биомасс положена масса сухого вещества, рассчитываем массу сухого вещества чайки:
m (сух. чайки) = m (сыр. чайки) • 40% / 100% = 1 • 0,4 = 0,4 кг.
Определяем, какое количество сухого вещества фитопланктона требуется для пропитания одной чайке:

m (сух. фитопланктона) = m (сух. чайки) • 100 = 0,4 •100 = 40 кг.
И, наконец, вычисляем, какое количество чаек может прокормиться на данной акватории:
m (чаек) = m (общ. сух. фитопланктона) / т (сух. фитопланктона)= 1200 / 40 = 30 (чаек)

Ответ: 30 чаек.
Задача 4. Средняя масса годовалой рыжей лисицы — 20,5 кг. Предположим, что с одномесячного возраста, когда масса лисенка составляла 500 г, он перешел на питание исключительно куропатками (средняя масса — 800 г). Какое количество куропаток понадобилось ему съесть для достижения массы годовалой лисы? Какой прирост биомассы продуцентов понадобился для этого? Какая площадь (в га) достаточна для пропитания одной лисицы, если продуктивность растительной биомассы составляет 2 т/га?

Решение.

Составим цепь питания данной территории, учитывая то, что куропатки являются преимущественно растительноядными:

растение → куропатка → лиса.

Подсчитаем, какую массу лисенок набрал в течение года, питаясь куропатками:

∆m (лисы) = 20,5 кг — 0,5 кг = 20 кг.

Согласно правилу экологической пирамиды, для набора такой массы ему потребовалось съесть в 10 раз больше куропаток:

m (куропаток) = ∆m (лисы) • 10 = 20 • 10 = 200 кг.

n(куропаток) =m (куропаток)/m (куропатки) = 200 кг / 0,8 кг = 250 (куропаток).

Теперь определим, согласно правилу экологической пирамиды, какая биомасса продуцентов потребовалась для прокорма 200 кг куропаток:

m (продуцентов) =m (куропаток) • 10 = 200 кг • 10 = 2000 кг.

Вычислим площадь, необходимую для пропитания куропаток и лисы, учитывая продуктивность данной экосистемы (2000 кг/га):

S = т (продуцентов)/продуктивность = 2000 кг / 2000 кг/га = 1 га.

Ответ: для пропитания одной лисы необходимо 250 куропаток, которые потребляют 2000 кг растительной биомассы. Для пропитания одной лисы достаточно 1 га территории.


7.3. Разнообразие экосистем (биогеоценозов). Саморазвитие и смена экосистем. Выявление причин устойчивости и смены экосистем. Стадии развития экосистемы. Сукцессия. Изменения в экосистемах под влиянием деятельности человека. Агроэкосистемы, основные отличия от природных экосистем.

Разнообразие экосистем (биогеоценозов)

Биомы

Кажущееся бесконечным многообразие биогеоценозов нашей планеты, опираясь на немногие экологические критерии, можно свести к нескольким основным типам, приуроченным к определенным ландшафтно-климатическим зонам. Эти определенные совокупности различных групп организмов и среды их обитания называются биомами. Особенности среды обитания, накладывающие отпечаток на характер процессов, происходящих в биогеоценозе, а также его видовую и пространственную структуру, позволяют отнести биомы к наземным (сухопутным) или водным.

Основные наземные экосистемы

В основе классификации наземных экосистем, в первую очередь, лежит тип растительного покрова данного участка суши, что позволяет выделять пустынные, травянистые и лесные биогеоценозы. Пустынные экосистемы, в свою очередь, подразделяют на тропические, умеренных широт и холодные, травянистые — на саванны, прерии, степи и тундры, а лесные — на влажные тропические леса, листопадные леса умеренных широт и др.

Пустыни. К пустыням относят территории, на которых уровень осадков не превышает 250 мм в год, а испарение влаги намного больше количества выпавших осадков. Эти экосистемы покрывают около 30% поверхности суши практически во всех широтах Земли, начиная с тропических Атакамы и Южной Сахары, и заканчивая ледяными пустынями Антарктиды.

Чрезвычайно сложные условия обитания в пустынях обусловливают скудость и изреженность растительного покрова, что, в свою очередь, является причиной крайне низкой продуктивности данных экосистем и способствует формированию в них коротких пищевых цепей. Так, в пустынях Северной Америки доминируют кактусы, а консументами высшего порядка являются койоты и ястребы.

Хрупкость жизни в пустынях заставляет уделять особое внимание их охране, поскольку выпас скота и движение автотранспортных средств вне дорог приводит к серьезным нарушениям этих экосистем.

Экосистемы, где преобладающим является травяной покров, характерны для районов, в которых выпадает большее количество осадков, и влага частично задерживается в почве. Они располагаются преимущественно в тропическом, умеренном и субарктическом поясах планеты.

Тропические травянистые экосистемы, или саванны, образуют широкие полосы по обе стороны экватора. В этих регионах средние температуры достаточно высоки, а осадки выпадают в основном весной или летом, тогда как в остальное время они отсутствуют (сухой сезон). Помимо злаков и других травянистых растений, в саваннах могут встречаться также редкостоящие деревья, например, баобабы и зонтичные акации. Животный мир тропических травянистых экосистем, представленный слонами, носорогами, жирафами, антилопами, львами, различными грызунами, зайцеобразными, множеством птиц и др., в зимнее время обогащается за счет птиц, мигрирующих из Евразии. Однако несмотря на то, что продуктивность саванн и их видовое разнообразиепревышает таковую пустынь, и они должны быть более устойчивыми, саванны не меньше страдают от действия антропогенного фактора, например от перевыпаса скота и пожаров.

Травянистые экосистемы умеренных широт занимают большей частью внутренние районы материков. В Евразии они называются степями, в Северной Америке — прериями, в Южной — пампой и льянос, в Южной Африке — вельдами. Несмотря на почти постоянно дующие ветры, способствующие испарению влаги, часть ее все же задерживается в почве благодаря плотному растительному покрову. Во флоре этих экосистем достаточно широко представлены злаки, такие как пампасная трава, ковыли и др. Ранее в них встречались и крупные млекопитающие, например бизоны, туры, сайгаки, куланы и др. Однако хищническое истребление данных животных, а позднее — распашка прерий и степей привели к деградации биогеоценозов с последующей эрозией почв и пыльными бурями.

В этих же широтах, на территориях с лучшим влагообеспечением, чаще в поймах рек, в холмистой местности и на лесных полянах, встречается другой тип травянистых экосистем — луга. Их растительный покров отличается изобилием многолетних трав, главным образом злаков и осок.