Сообщество и экосистема: кто производит вещество, кто его использует и куда уходит энергия
Пищевая цепь — лишь часть сети. Разберём биоценоз, абиотические компоненты, продуцентов, консументов, редуцентов, пастбищные и детритные пути, биомассу и продукцию, а также три разные экологические пирамиды без мифа о неизменных «10 процентах».
Федеральная программа · углублённый уровень · 11 класс
Экология сообществ. Экологические системы
Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:
- Биоценоз и его структура
- Экосистема как открытая система А. Тенсли
- Абиотические компоненты, почва и ил
- Продуценты, консументы и редуценты
- Трофические уровни
- Пастбищные и детритные сети
- Круговорот вещества и поток энергии
- Биомасса и продукция
- Пирамиды численности, биомассы и энергии
Как это устроено
А. Тенсли предложил рассматривать организмы и физическую среду как единую систему. Границы экосистемы задаёт вопрос исследования: почва, ил, вода и воздух участвуют в обмене, а свет и вещества поступают извне. Биоценоз — живые популяции внутри такого рассмотрения, а не синоним всей экосистемы. На суше опад поступает в почву, где его фрагментируют животные, перерабатывают грибы и бактерии, а образовавшиеся вещества могут переходить к корням, в грунтовые воды или оставаться в запасе. В водоёме часть остатков оседает в ил: у поверхности и в глубине могут различаться содержание кислорода и пути разложения. Поэтому изображать почву и ил как безжизненный «фон» неверно, но и называть их только биоценозом тоже нельзя: это сочетание живых организмов и неживой среды.
Продуценты фиксируют энергию и создают органику, консументы используют живую пищу, редуценты и детритофаги участвуют в переработке остатков. Разделение функциональное: некоторые организмы совмещают способы питания, а «редуцент» не обязан в одиночку превращать весь лист прямо в CO₂ и минералы. Реальная пищевая сеть включает несколько цепей, а всеядность делает присвоение одного уровня условным.
Вещество переходит между живыми и неживыми резервуарами и может участвовать в круговоротах; энергия поступает и рассеивается теплом, поэтому не «ходит по замкнутому кругу» тем же способом. Биомасса — запас в моменте, продукция — образование нового вещества за время. Сравнивать г/м² с г/м²/год без приведения единиц нельзя.
Пирамида численности может быть перевёрнута, когда один крупный продуцент кормит многих мелких потребителей. Пирамида моментной биомассы бывает перевёрнутой при быстром обороте фитопланктона. Пирамида потока энергии не строится вверх с ростом уровня из-за потерь, но универсального коэффициента передачи ровно 10 % нет: он зависит от организмов и системы. Для правильной схемы указывают границы, период и единицы.
Словарь урока
Каждое понятие — с примером
- Биоценоз
Совокупность взаимодействующих популяций разных видов на определённом участке при выбранных пространственных границах.
Пример: На лугу совместно существуют растения, грибы, животные и микроорганизмы.
- Экосистема
Открытая система организмов и абиотической среды, в которой идут обмен веществом и поток энергии через выбранные границы.
Пример: Озеро получает свет, воду и вещества извне и отдаёт тепло и вещества за свои пределы.
- Абиотический блок экосистемы
Выделяемая для анализа неживая часть экосистемы — вода, воздух, минеральные вещества, температура и другие физико-химические условия; она постоянно взаимодействует с организмами и не является отдельной закрытой коробкой.
Пример: В озере свет, растворённый кислород и состав воды влияют на живые организмы, а их дыхание и разложение изменяют эти условия.
- Почва в экосистеме
Сложная система минеральных частиц, органического вещества, воды, воздуха и живых организмов на поверхности суши, где идут разложение, удержание воды и превращения питательных элементов.
Пример: Опавшие листья проходят через почвенную пищевую сеть, а часть образовавшихся минеральных веществ вновь поглощают корни.
- Донный ил
Скопление мелких минеральных частиц и органического материала на дне водоёма; в нём действуют организмы и химические процессы, зависящие, в частности, от наличия кислорода.
Пример: В богатом органикой иле при недостатке кислорода пути разложения могут отличаться от процессов в хорошо аэрируемой воде.
- Продуцент
Организм, синтезирующий органические вещества из неорганических с использованием света или химической энергии.
Пример: Зелёное растение использует свет, а некоторые бактерии — энергию окисления неорганических веществ.
- Консумент
Организм, получающий органическое вещество, поедая другие организмы или их части.
Пример: Гусеница питается листом, а птица может поедать гусеницу.
- Редуцент
Организм, участвующий в разложении органических остатков до более простых веществ, включая неорганические формы; роль распределена между многими микроорганизмами и грибами.
Пример: Почвенные грибы и бактерии минерализуют часть растительного опада.
- Детрит
Мёртвое органическое вещество и его фрагменты, служащие основой детритного пути питания.
Пример: Опавшие листья и остатки организмов входят в детрит почвы.
- Пастбищная цепь
Упрощённый ряд переноса вещества и энергии, начинающийся с живого продуцента.
Пример: Трава → травоядное насекомое → птица.
- Детритная цепь
Упрощённый ряд, начинающийся с мёртвого органического материала.
Пример: Листовой опад → детритофаг → хищник.
- Пищевая сеть
Совокупность пересекающихся пищевых связей в сообществе, более реалистичная, чем одна цепь.
Пример: Птица может питаться и насекомыми, и семенами, соединяя разные пути.
- Трофический уровень
Условная позиция в схеме переноса пищи и энергии; всеядный организм может относиться к нескольким уровням.
Пример: Человек может получать энергию напрямую из растения или через животную пищу.
- Биомасса
Масса живого вещества на определённой площади или в объёме в заданный момент, с указанием сухой или сырой массы и единиц.
Пример: Биомассу травы на квадратный метр нельзя напрямую приравнять к её годовому приросту.
- Первичная продукция
Количество нового органического вещества, созданного продуцентами за интервал времени в заданной системе.
Пример: Годовая продукция фитопланктона измеряется как поток, а не масса в одном пробоотборе.
- Чистая первичная продукция
Первичная продукция после вычета собственного дыхания продуцентов в указанном учёте.
Пример: Часть зафиксированного углерода растение использует при дыхании, оставшаяся часть доступна для роста и пищевых сетей.
- Пирамида численности
Сравнение числа особей на выбранных трофических уровнях, способное иметь необычную или перевёрнутую форму.
Пример: Одно дерево поддерживает множество листоядных насекомых.
- Пирамида биомассы
Сравнение стоящей биомассы уровней в один момент, иногда перевёрнутое при высоком обороте продуцентов.
Пример: В водной системе фитопланктон быстро обновляется и может иметь меньшую моментную массу, чем часть потребителей.
- Пирамида энергии
Сравнение скорости передачи энергии между уровнями за время с учётом потерь, не переворачивающееся в обычном учёте потока.
Пример: Энергия, вошедшая в уровень потребителей, меньше доступной на предыдущем уровне из-за дыхания и неполного усвоения.
Пример по шагам
В пруду в момент учёта масса фитопланктона меньше массы зоопланктона. Нарушает ли это закон сохранения энергии?
- Сравнивается моментный запас биомассы, а не энергия, переданная за одинаковый период.
- Фитопланктон может быстро размножаться и потребляться, обновляя небольшую стоящую массу многократно.
- Для энергетической пирамиды измеряют продукцию и перенос энергии за время, а не только моментную массу.
Вывод: Перевёрнутая пирамида биомассы совместима с направленным потоком энергии.
Практическая работа
Три пирамиды из одного опубликованного набора данных
- Возьмите готовую таблицу численности, сухой биомассы и годовой продукции по уровням одного участка.
- Постройте три раздельные диаграммы, сохраняя единицы и период каждой величины.
- Укажите, какая пирамида может быть перевёрнута и почему нельзя заменять потоки запасами.
Что можно заключить: Одинаковая пищевая сеть допускает разные формы пирамид для числа, массы и энергии.
Безопасность: Работайте с открытыми данными; не разоряйте пищевые сети сбором животных и не вскрывайте природные почвы без разрешения.
Практическая работа
Изучение разнообразия мелких почвенных членистоногих в разных экосистемах
- Используйте опубликованные выборки из лесной и городской почв одинаковой массы и одинакового метода учёта; проверьте сезон и длительность отбора.
- По подписям специалиста подсчитайте особей и морфогруппы на стандартную массу почвы, не называя морфогруппу точным видом без определения.
- Сравните результаты с учётом площади, влажности и повторностей; объясните, почему больше особей не обязательно означает выше видовое разнообразие.
Что можно заключить: Сравнивать почвенные сообщества можно только при сопоставимом способе отбора и определения; численность и разнообразие — разные показатели.
Безопасность: Используйте готовые материалы: неизвестная почва может содержать аллергены и биологические агенты; не вскрывайте её дома, не применяйте вытяжные установки и консерванты самостоятельно.
Попробуйте сами
Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.
Открываем задания…
Сверка содержания
Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.