📘 CodingMarble Learn

Экосистема: структура, продуктивность, поток энергии и пирамиды

Экосистема — рабочая единица природы, где взаимодействуют живые (биотические) и неживые (абиотические) части. Растения создают пищу с определённой скоростью, она называется продуктивностью: валовая (ВПП) минус дыхание даёт чистую (ЧПП = ВПП − R). Мёртвое вещество разлагается в пять этапов: фрагментация, выщелачивание, катаболизм, гумификация и минерализация. Энергия приходит как солнечный свет, течёт в одну сторону по трофическим уровням, и на каждый следующий уровень переходит лишь около 10%. Экологические пирамиды чисел, биомассы и энергии показывают это: пирамиды чисел и биомассы бывают перевёрнутыми, а пирамида энергии всегда прямая.

🎬 История по шагам

  1. Войди в лес. Наверху высокие деревья, ниже кусты, внизу травы и мхи: такое расслоение называется ярусностью. Почва, вода, воздух и солнечный свет — неживые (абиотические) части, от которых зависит всё остальное.
  2. Растения ловят солнечный свет и создают пищу. Вся созданная пища — это валовая первичная продуктивность (ВПП). Часть её растение сжигает для собственной жизни (дыхание, R). То, что осталось для животных, — чистая первичная продуктивность: ЧПП = ВПП − R.
  3. Падает лист. Черви рвут его на куски (фрагментация), вода вымывает соли (выщелачивание), микробы его переваривают (катаболизм), образуется тёмный гумус (гумификация), и освобождаются минеральные вещества (минерализация).
  4. Энергия поднимается по пищевой цепи: продуценты → консументы первого, второго и третьего порядка. На каждом шаге дальше идёт только около 10%, остальное уходит в виде тепла. Значит, энергия течёт в одну сторону и не возвращается.
  5. Сложи уровни в пирамиду. Выбери число, биомассу или энергию. Одно большое дерево кормит тысячи насекомых — получается перевёрнутая пирамида чисел; крошечный морской планктон даёт перевёрнутую пирамиду биомассы. Пирамида энергии всегда прямая.
  6. Свободная игра: меняй ВПП, начальную энергию и тип пирамиды и смотри, как меняются числа.

Совет: тяни 3D-сцену, чтобы повернуть её. Двумя пальцами можно приблизить.

🤔 Частые сомнения — разобраны

Поле с посевами или аквариум — это действительно экосистема?

Да. В ней есть абиотические части (вода, почва, свет) и биотические части (растения, животные, микробы), которые взаимодействуют. Это просто искусственная экосистема. Лес в 3D-сцене показывает те же части, слой за слоем.

Почему ЧПП меньше ВПП?

Растениям нужна энергия для жизни, поэтому они сжигают часть созданной пищи при дыхании. В 3D-сцене оранжевый столбик R вычитается из зелёного столбика ВПП, а синий столбик ЧПП — то, что осталось.

Почему разложение идёт быстрее в тропических лесах, чем в холодных местах?

Тепло и влажность помогают микробам работать. Холод или сухость их тормозят. В 3D-сцене показаны пять этапов; для каждого нужны активные микробы и вода.

Куда уходят остальные 90% энергии?

Они тратятся на собственную жизнь животного (движение, тепло, дыхание) и теряются в виде тепла, либо не съедаются, либо уходят с отходами. Оранжевые облачка тепла в 3D-сцене показывают эту потерю на каждом уровне.

Как пирамида чисел может быть перевёрнутой?

Одно большое дерево может кормить тысячи насекомых. Значит, на уровне продуцентов один представитель, а на следующем уровне — много. Выбери в меню «Число: одно дерево», чтобы увидеть перевёрнутую форму.

Почему пирамида энергии никогда не бывает перевёрнутой?

Уровень получает энергию только от уровня ниже, и часть всегда теряется в виде тепла. Поэтому на каждом уровне энергии меньше, чем на предыдущем. Выбери в меню «Энергия»: она всегда шире всего внизу.

Какая пищевая цепь на суше несёт больше энергии: пастбищная или детритная?

Детритная. Большая часть растительного вещества не съедается живым: оно падает как опад и используется редуцентами. Сцена разложения (шаг 3) показывает, куда уходит эта энергия.

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

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.

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.

  1. Фрагментация: детритофаги, например дождевые черви, измельчают детрит на мелкие кусочки.
  2. Выщелачивание: растворимые в воде вещества уходят в почву и оседают там в виде солей.
  3. Катаболизм: ферменты бактерий и грибов расщепляют детрит на более простые неорганические вещества.
  4. Гумификация: образуется тёмное губчатое вещество — гумус. Микробы плохо его берут, он разлагается очень медленно и служит запасом питательных веществ.
  5. 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

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.

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

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

Тренировочный тест

1. ЧПП равна:
2. Первый этап разложения:
3. Какая пирамида всегда прямая?
4. Пирамида биомассы в море обычно:
5. Какую долю ФАР улавливают растения?

Практика: отвечай сам

Введи или выбери ответ и нажми «Проверить». Если застрял, возьми подсказку; полное решение появится после ответа.

Частые вопросы

Чем отличаются ВПП и ЧПП?

ВПП — это общая скорость, с которой растения создают органическое вещество при фотосинтезе. ЧПП — то, что остаётся после того, как растения потратят часть на дыхание: ЧПП = ВПП − R. ЧПП — это пища, доступная растительноядным и редуцентам.

Почему пирамида энергии всегда прямая?

Вверх на каждом шаге переходит только около 10% энергии, остальное теряется в виде тепла. Более высокий уровень никогда не может иметь больше энергии, чем уровень, который его кормит, поэтому пирамида всегда сужается кверху.

Каковы этапы разложения?

Фрагментация (измельчение на кусочки), выщелачивание (растворимые вещества уходят в почву), катаболизм (ферменты микробов расщепляют вещество), гумификация (образуется гумус) и минерализация (гумус освобождает неорганические питательные вещества).

Где это изучают

Canada (Ontario)Grade 12B. Species and Spaces
Canada (Ontario)Grade 12D. Ecosystems and Human Activity
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIIX. Ecology
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IVXVII. Ecology
RomaniaClasa a XII-aHuman ecology
Spain1º BachilleratoEcology and sustainability
Spain2º BachilleratoThe Earth system
Ukraine11 класEcology
Ukraine11 класEcology
CBSE (India)Class 12Ecology and Environment
England (GCSE, A level)Year 123.1.6 Ecosystems under stress (Section C option)
England (GCSE, A level)Year 133.5 Energy transfers in and between organisms
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Ecology
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12The Living World: Ecosystems
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12The Living World: Biodiversity
Japan高校3年Ecology and environment
South Korea고등학교 3학년Ecosystems and interactions
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 13Ecology and biodiversity
Russia11 классEcology
Russia11 классCommunities and ecosystems
China高二Sel.2 Ch.3 Ecosystems

Сначала изучи

Дальше изучай

Похожие уроки

Все уроки: Biology