Практическая работа № 4. Трофические связи в экосистемах и

Практическая работа № 4.
Трофические связи в экосистемах и расчет показателей эффективности
ассимиляции и эффективности продуцирования. Построение
экологических пирамид. Решение задач на правило Линдема.
Цель
работы:
Изучить
биотические
взаимодействия
между
организмами, основные понятия, научиться составлять пищевые цепи и сети,
уметь решать и анализировать задачи на правило Линдема,
экологические
пирамиды,
а
также
освоить
расчеты
строить
эффективности
ассимиляции и продуцирования.
Общие сведения
Живые организмы в экосистеме, мертвые их остатки и их отбросы
являются пищей для других организмов. Питательные вещества, таким
образом, переходят из одного организма в другой, образуя непрерывные
пищевые цепи.
Начало пищевым цепям дают продуценты. Продуценты с помощью
фотосинтеза
создают органическое вещество и выделяют в атмосферу
кислород. К ним относятся зеленые растения (трава, деревья), синезеленые
водоросли и фотосинтезирующие бактерии.
Следующие звенья цепи питания составляют консументы, которые
поедают как продуцентов, так и себе подобных.
К ним относятся звери,
птицы, рыбы и насекомые. Консументы I порядка - травоядные или
растительноядные
животные.
Консументы
II
порядка
- плотоядные
животные (хищники). Консументы III порядка - хищники т.д.
Дополнительные звенья в пищевой цепи составляют дентритофаги,
которые питаясь отходами и трупами, могут стать добычей хищников (напр.,
муравьед питается муравьями). И так органическое вещество возвращается в
органический круговорот. К ним относятся дождевые черви, крабы, муравьи,
жуки-навозники, крысы, шакалы, грифы, вороны и др.
В конце пищевой цепи находятся редуценты (деструкторы), которые
превращают отмершее органическое вещество в неорганические соединения.
К ним относятся бактерии и грибы, которые в отличие от детритофагов
разрушают мертвое органическое вещество до минеральных соединений. Эти
соединения возвращаются в почву и снова используются растениями для
питания.
Организмы, употребляющие один тип пищи, принадлежат к одному
трофическому уровню.
Простые и сложные пищевые цепи связаны между собой, образуя
обширную сеть. Она так и называется пищевая сеть.
Задание 1.
Из предложенного списка составьте пары организмов, между которыми
в природе могут образовываться трофические (пищевые) связи (названия
организмов можно использовать только один раз): цапля, ива, тля, амеба, заяцрусак, муравей, водные бактерии, кабан, лягушка, смородина, росянка,
муравьиный лев, комар, тигр.
Задание №2.
Составьте пять цепей питания. Все они должны начаться с растений (их
частей) или мертвых органических остатков (детрита). Промежуточным
звеном в первом случае должен быть дождевой червь; во втором – личинка
комара в пресном водоеме; в третьем – комнатная муха; в четвертом – личинка
майского жука; в пятом – инфузория туфелька. Все цепи питания должны
заканчиваться человеком. Предложите наиболее длинные варианты цепей.
Задание №3.
К какому из трофических уровней относятся перечисленные ниже
группы организмов.
Автотрофы, однолетние травы, гетеротрофы, овцы, рыбы, дельфины,
консументы, макроконсументы, пчелы, кустарники, микроконсументы,
фитопланктон, волки, детритофаги, микроорганизмы.
Распределите организмы по следующим категориям:
-продуценты
- травоядные
- плотоядные
- деструкторы
Задание №4.
Выберите из списка названия животных, которых можно отнести к
консументам второго порядка:
серая крыса, слон, тигр, дизентерийная амеба, скорпион, паук, волк,
кролик, мышь, саранча, ястреб, морская свинка, крокодил, гусь, лисица,
окунь, антилопа, кобра, степная черепаха, виноградная улитка, дельфин,
колорадский жук, бычий цепень, кенгуру, божья коровка, белый
медведь, медоносная пчела, кровососущий комар, стрекоза, яблоневая
плодожорка, тля, серая акула.
Продуктивность трофических уровней.
Обычно в экосистеме насчитывается 3-4 трофических уровня. Это
объясняется тем, что значительная часть потребляемой пищи тратится на
энергию (90 - 99 %), поэтому масса каждого трофического уровня меньше
предыдущего.
Количество энергии, проходящее через трофический уровень на
единице площади за единицу времени, называется продуктивностью
трофического уровня. Продуктивность измеряется в ккал/га·год или других
единицах (в тоннах сухого вещества на 1 га за год; в миллиграммах углерода
на 1 кв. метр или на 1 куб. метр за сутки и т. д.).
Энергия, поступившая на трофический уровень, называется валовой
первичной
продуктивностью
(для
продуцентов)
или
рационом
(для
консументов). Часть этой энергии расходуется на поддержание процессов
жизнедеятельности (метаболические затраты, или затраты на дыхание), часть
–
на
образование
отходов
жизнедеятельности
(опад
у
растений,
экскременты, линочные шкурки и иные отходы у животных), часть – на
прирост биомассы. Часть энергии, затраченная на прирост биомассы, может
быть потреблена консументами следующего трофического уровня.
Под первичной продукцией (или первичной биологической
продукцией) понимается образование биомассы (более точно — синтез
пластических веществ) продуцентами без исключения энергии, затраченной на
дыхание за единицу времени на единицу площади (например, в сутки на
гектар).
Энергетический баланс трофического уровня может быть записан в виде
следующих уравнений:
(1) валовая первичная продуктивность = дыхание + опад +
прирост биомассы
(2) рацион = дыхание + отходы жизнедеятельности + прирост
биомассы
Первое уравнение применяется по отношению к продуцентам, второе –
по отношению к консументам и редуцентам.
Разность между валовой первичной продуктивностью (рационом) и
затратами на дыхание называется чистой первичной продуктивностью
трофического уровня. Энергия, которая может быть потреблена консументами
следующего трофического уровня, называется вторичной продуктивностью
рассматриваемого трофического уровня.
Чистая продуктивность — скорость накопления органического
вещества, не потребляемого гетеротрофами (а затем и редуцентами). Обычно
вычисляется за вегетационный период либо за год. Таким образом, это часть
продукции, которая не может быть переработана самой экосистемой. В более
зрелых экосистемах значение чистой продуктивности сообщества стремится к
нулю.
Вторичная продуктивность — скорость накопления энергии на уровне
консументов. Вторичную продукцию не подразделяют на валовую и чистую,
так как консументы только потребляют энергию, усвоенную продуцентами,
часть её не ассимилируется, часть идёт на дыхание, а остаток идёт в биомассу,
поэтому более корректно называть её вторичной ассимиляцией.
Биомасса — количество организмов биогеоценоза, выраженное в
единицах массы. Чаще всего биомассу подразделяют на:
o
биомассу продуцентов
o
биомассу консументов
o
биомассу редуцентов
o
Продуктивность
o
Устойчивость
o
Способность к саморегуляции.
Энергия биомассы – это солнечная энергия, которая сохраняется в
клетках растений и животных в химической форме. Этот вид сохранения
энергии один из самых ценных на Земле. Биомасса дает нам не только пищу,
но и энергию, строительные материалы, бумагу, лекарства, ткани и
химические вещества.
При переходе энергии с одного уровня на другой часть ее безвозвратно
теряется: в виде теплового излучения (затраты на дыхание), в виде отходов
жизнедеятельности. Поэтому количество высокоорганизованной энергии
постоянно уменьшается при переходе с одного трофического уровня на
последующий. В среднем на данный трофический уровень поступает ≈ 10 %
энергии,
поступившей
на
предыдущий
трофический
уровень;
эта
закономерность называется правилом «десяти процентов», или правилом
экологической пирамиды. Поэтому количество трофических уровней всегда
ограничено (4-5 звеньев), например, уже на четвертый уровень поступает
только 1/1000 часть энергии от поступившей на первый уровень.
Продуктивность экосистем выражается в виде экологических пирамид.
Экологические пирамиды представляют собой графическое изображение
функциональной взаимосвязи в экосистеме. Известно три основных типа
экологических пирамид: пирамида численности, пирамида биомассы и
пирамида энергии.
Пирамида биомассы характеризует массу
живого вещества – указывает количество живого
вещества на данном трофическом уровне (г/м 2, г/м3).
Пирамида биомассы наземной экосистемы:
П – продуценты,
РК– растительноядные консументы,
ПК – плотоядные консументы
В наземной экосистеме действует правило: суммарная масса растений
превышает массу всех травоядных, а их масса превышает биомассу хищников.
Для океана пирамида биомассы имеет перевернутый вид, что объясняется
высокой скоростью потребления и оборачиваемости: на каждом трофическом
уровне количество биомассы, создаваемой за единицу времени, больше, чем
на последующем.
Пирамиды
биомассы
не
отражают
энергетическую
значимость
организмов и не учитывают скорость потребления биомассы, что приводит к
аномалиям в виде перевернутых пирамид. Выходом является построение
более сложных пирамид энергии.
Пирамида энергии показывает количество энергии, прошедшее через
каждый трофический уровень экосистемы за определенный промежуток
времени (например, за год).
Закон (правило) 10 % (закон пирамиды энергий)
С одного трофического уровня экологической пирамиды на другой,
более высокий ее уровень передается около 10 % энергии (1942 г. Р.
Линдеман). Например, за счет 1 т съеденной растительной массы может
образоваться 100 кг массы тела травоядного животного, а за счет последнего –
10 кг массы тела хищников.
Пирамида численности (пирамида Элтона)
отражает численность организмов на каждом
уровне. Существует следующая закономерность:
количество
особей,
составляющих
последовательный ряд звеньев от продуцентов к
консументам, неуклонно уменьшается. В пирамидах численности живые
организмы, имеющие различную массу, учитываются одинаково. Поэтому
более удобно использовать пирамиды биомассы, которые рассчитываются не
по количеству особей на каждом трофическом уровне, а по их суммарной
массе.
Задача 1. Составить цепь питания с максимально возможным числом
звеньев, последним из которых являются рыбоядные звери. Вычислить массу
водорослей необходимую для существования выдры массой 25 кг, которая
питается рыбой. Построить экологическую пирамиду.
Задача 2. Подчитать, какую массу растений сохранит пара синиц при
выкармливании 5 птенцов массой по 3 кг каждый.
Задача 3. Рассчитайте, какую биомассу растений
сохранит от
уничтожения гусеницей пара синиц, выкармливая 4 птенцов массой по 5 г.
Какую часть общей биомассы растений это будет составлять (в %), если
площадь сбора гусеницы 400м2, а производительность растений 200г/м2
Для характеристики передачи энергии в экосистемах от одного
трофического уровня к другому используют показатели эффективности
ассимиляции (ЭА) и эффективности продуцирования (ЭП).
Таблица 1.
Значения показателей эффективности ассимиляции (ЭА) и
эффективности продуцирования (ЭП) в модели степной экосистемы.
Группа животных
ЭА(%)
ЭП(%)
Фитофаги
40
40
Хищники
80
30
Потребители
микроорганизмов
30
40
Детритофаги
20
40
Редуценты
100
100
Эктотермы фитофаги
50
10
Эктотермы хищники
80
10
Эндотермы фитофаги
50
2
Эндотермы хищники
80
2
Беспозвоночные
Позвоночныые
Для расчета эффективности ассимиляции (ЭА) и эффективности
продуцирования (ЭП) используются следующие формулы:
ЭА 
A
100%;
I
Р
ЭП  100%;
А
Где: I - вся энергия, поступившая с пищей,
А – ассимилированная энергия;
Р – энергия, включенная в новую биомассу.
Задание 1. Экологическая система включает продуцентов, фитофагов
позвоночных, эктотермов хищников и редуцентов. Рассчитайте, сколько
энергии будет ассимилировано редуцентами, если фитофаги получат с пищей
1000кДж.
Задание 2. Сколько энергии будет овеществлено волками, если пища
зайцев, которых они съели, содержала 20000 кДж энергии.
Задание 3. В экологической системе установлены следующие пищевые
связи: растения – насекомые – лягушки – змеи – микроорганизмы –
редуценты. Сколько энергии должна содержать биомасса растений, если
микроорганизмами ассимилировано 10 кДж.
Задание 4. Накопление чистой продукции 55-летних посадок сосны
обыкновенной
составляют
442
*
1010
кал/га.
Этон
соответствует
преобразованию в среднем около 8 * 1010 кал/га солнечной энергии в год,
тогда как среднегодовая инсоляция составляет 770 * 10 10 кал/га.
Инсоляция — облучение поверхностей солнечным светом (солнечной
радиацией) или поток прямой солнечной радиации на горизонтальную
поверхность.
Определите: а) эффективность ассимиляции сосны; б) количество
солнечной энергии, для выращивания 20 – 50-летнего леса.
Порядок оформления отчета:
В отчете должны содержать следующие сведения:
1. Дать определения основных понятий
2. Выполнить задания на тему трофические цепи и сети
3. Выписать понятия: продуктивность, виды продуктивности, биомасса,
энергия биомассы
4. Начертить виды экологических пирамид.
5. Решить задачи на правило Линдемана и построение экологических
пирамид
6. Привести формулы для расчета эффективности продуцирования.
7. Выполнить задания, используя формулы эффективности.
8. Сделать выводы по проделанной работе.