Экосистема: структура и компоненты
Экосистема — это часть природы, где живые существа и их окружение работают вместе как единое целое. Она может быть большой (лес, море) или маленькой (пруд, аквариум). Поле с посевами или аквариум — это искусственная экосистема, созданная человеком.
Компоненты
- Абиотические (неживые): солнечный свет, температура, вода, почва, воздух, минеральные вещества.
- Биотические (живые): продуценты (зелёные растения, фитопланктон), консументы (растительноядные и хищники) и редуценты (бактерии, грибы).
Структура
Структура — это то, какие виды есть в экосистеме и как они расположены. Видовой состав — это список видов. Ярусность — вертикальное расслоение: в лесу сверху деревья, потом кусты, потом травы. Каждый ярус получает разное количество света.
Четыре функции
Любая экосистема выполняет четыре задачи: продуктивность, разложение, поток энергии и круговорот веществ.
Пруд: простой пример
Абиотические части: вода, растворённые минералы, солнечный свет. Продуценты: фитопланктон, водоросли, плавающие и укоренённые растения. Консументы: зоопланктон, мелкая и крупная рыба. Редуценты: бактерии и грибы на дне.
Продуктивность: ВПП и ЧПП
Первичная продукция — это количество биомассы (органического вещества), которое растения создают на единице площади за определённое время. Скорость её создания называется продуктивностью и записывается как г м⁻² год⁻¹ или ккал м⁻² год⁻¹.
- Валовая первичная продуктивность (ВПП): общая скорость образования органического вещества при фотосинтезе.
- Дыхание (R): часть ВПП, которую растения тратят на себя.
- Чистая первичная продуктивность (ЧПП): то, что остаётся животным и редуцентам: ЧПП = ВПП − R.
- Вторичная продуктивность: скорость, с которой консументы создают новое органическое вещество.
Продуктивность зависит от вида растения, света, температуры, воды и питательных веществ. Вся Земля создаёт около 170 миллиардов тонн (в сухом весе) органического вещества в год. Океаны занимают около 70% поверхности, но дают лишь около 55 миллиардов тонн, потому что в глубокой воде мало света и питательных веществ.
Разложение: пять этапов
Редуценты разрушают сложное мёртвое вещество (детрит: опавшие листья, кора, цветы, трупы животных, помёт) до простых неорганических веществ: CO₂, воды и питательных элементов.
- Фрагментация: детритофаги, например дождевые черви, измельчают детрит на мелкие кусочки.
- Выщелачивание: растворимые в воде вещества уходят в почву и оседают там в виде солей.
- Катаболизм: ферменты бактерий и грибов расщепляют детрит на более простые неорганические вещества.
- Гумификация: образуется тёмное губчатое вещество — гумус. Микробы плохо его берут, он разлагается очень медленно и служит запасом питательных веществ.
- Минерализация: микробы медленно разрушают гумус, и освобождаются неорганические питательные вещества.
От чего зависит скорость
Быстро идёт, когда детрит богат азотом и сахарами и когда тепло и влажно. Медленно — когда много лигнина и хитина, а также когда холодно, сухо или нет кислорода (анаэробные условия). Для разложения нужен кислород.
Поток энергии
Солнце — единственный источник энергии почти для всех экосистем (исключение — глубоководные гидротермальные источники). Меньше 50% солнечного света — это фотосинтетически активная радиация (ФАР), а растения улавливают лишь около 2–10% ФАР. Эта малая доля питает весь живой мир.
Энергия течёт в одну сторону: Солнце → продуценты → консументы. Она никогда не используется повторно. При каждой передаче много энергии теряется в виде тепла, как говорит второй закон термодинамики.
Пищевые цепи и трофические уровни
- Пастбищная пищевая цепь: начинается с зелёных растений: трава → коза → человек.
- Детритная пищевая цепь: начинается с мёртвого вещества: детрит → редуценты (грибы, бактерии) → детритофаги. В наземной экосистеме по детритной цепи течёт намного больше энергии, чем по пастбищной.
- Цепи соединяются в пищевую сеть.
- Трофические уровни: продуценты (1-й), растительноядные / консументы первого порядка (2-й), хищники / консументы второго порядка (3-й), консументы третьего порядка (4-й).
- Урожай на корню (стоячая биомасса): масса живого вещества на трофическом уровне в один момент времени.
Правило 10 процентов
Лишь около 10% энергии одного уровня переходит на следующий (правило Линдемана). Так, 10,000 Дж в растениях → 1,000 Дж у растительноядных → 100 Дж → 10 Дж. Поэтому в пищевых цепях редко бывает больше 4–5 уровней.
Экологические пирамиды: чисел, биомассы, энергии
Продуцентов рисуют в основании, а каждый следующий трофический уровень — выше. Пирамида может показывать число особей, биомассу (сухой вес) или энергию.
- Пирамида чисел: на лугу она прямая (много растений травы, меньше кузнечиков, ещё меньше лягушек). Одно большое дерево со множеством насекомых и птиц даёт перевёрнутую или веретенообразную форму.
- Пирамида биомассы: на суше обычно прямая. В море она перевёрнутая: масса фитопланктона в данный момент мала, потому что он очень быстро растёт и очень быстро поедается, а масса рыб больше.
- Пирамида энергии: всегда прямая, потому что на каждом шаге энергия теряется, и уровень не может иметь больше энергии, чем тот, который его кормит.
Ограничения пирамид
Они не учитывают, что один вид может занимать сразу два уровня, они предполагают простые пищевые цепи (в природе — сети) и не включают сапрофитов (редуцентов), хотя те очень важны.
Что спрашивают на экзамене
Частые вопросы: дай определение ВПП и ЧПП и запиши ЧПП = ВПП − R; перечисли и объясни этапы разложения и факторы; объясни, почему пирамида энергии всегда прямая; приведи пример перевёрнутой пирамиды чисел или биомассы; вычисли энергию на более высоком уровне по правилу 10%; сравни пастбищную и детритную пищевые цепи. Задачи короткие, но дают лёгкие баллы: всегда сначала записывай формулу.
Главные формулы и определения
- [object Object]
- [object Object]
- [object Object]
- [object Object]
- [object Object]
- [object Object]
Разобранные примеры
1. На поле ВПП = 20,000 ккал м⁻² год⁻¹, а растения тратят на дыхание 4,000 ккал м⁻² год⁻¹. Найди ЧПП.
ЧПП = ВПП − R = 20,000 − 4,000 = 16,000 ккал м⁻² год⁻¹.
2. В озере ЧПП = 6,000 и R = 2,000 ккал м⁻² год⁻¹. Найди ВПП.
ВПП = ЧПП + R = 6,000 + 2,000 = 8,000 ккал м⁻² год⁻¹.
3. Растения улавливают 50,000 Дж. Сколько по правилу 10% дойдёт до консумента второго порядка?
Консумент первого порядка: 10% от 50,000 = 5,000 Дж. Консумент второго порядка: 10% от 5,000 = 500 Дж.
4. Змея (консумент третьего порядка) получает 25 Дж. Сколько энергии было в продуцентах?
Считаем в обратную сторону: × 10 на каждом шаге. Второй порядок: 250 Дж, первый порядок: 2,500 Дж, продуценты: 25,000 Дж.
5. Лес получает 1,000,000 Дж ФАР, а в ВПП запасается 20,000 Дж. Найди фотосинтетическую эффективность.
Эффективность = 20,000 ÷ 1,000,000 × 100 = 2%. Это в обычных пределах 2–10%.
6. Растительноядные на лугу содержат 1,500 кДж, а питающиеся ими хищники — 120 кДж. Найди экологическую эффективность и сравни с правилом 10%.
Эффективность = 120 ÷ 1,500 × 100 = 8%. Это чуть меньше 10%, и это нормально: цифра 10% — лишь среднее значение.
7. ВПП посева равна 30,000 ккал м⁻² год⁻¹, дыхание составляет 30% от ВПП. Коровы съедают 10% ЧПП. Сколько энергии получают коровы?
R = 0.3 × 30,000 = 9,000. ЧПП = 30,000 − 9,000 = 21,000. Коровы: 10% от 21,000 = 2,100 ккал м⁻² год⁻¹.
8. Почему в пищевой цепи редко бывает больше пяти уровней? Покажи на числах, начиная со 100,000 Дж.
100,000 → 10,000 → 1,000 → 100 → 10 → 1 Дж. К шестому уровню остаётся всего 1 Дж, а этого слишком мало, чтобы прокормить популяцию животных.
9. Какая пирамида в каждом случае перевёрнута? (а) пирамида чисел баньяна с насекомыми, (б) пирамида биомассы в море, (в) пирамида энергии в пруду.
(а) Перевёрнутая (одно дерево, много насекомых). (б) Перевёрнутая (малая масса фитопланктона, большая масса рыб). (в) Никогда не перевёрнута: пирамида энергии всегда прямая.
Частые ошибки
- Писать ЧПП = ВПП + R. Дыхание — это потеря, поэтому ЧПП = ВПП − R.
- Говорить, что энергия в экосистеме круговоротом возвращается. Вещества циркулируют, а энергия течёт только в одну сторону и уходит в виде тепла.
- Думать, что пирамида биомассы всегда прямая. В море она перевёрнутая.
- Путать гумификацию (образуется гумус) и минерализацию (гумус разрушается и освобождает минеральные вещества).