Универсальная модель потока энергии

Модель потока энергии, представленную на рис. 1.4, можно назвать универсальной, поскольку она приложима к любому живому компоненту системы, будь то растение, животное, популяция или трофический уровень. Соединенные между собой такие графические модели могут отразить биоэнергетику пищевой цепи или экосистемы в целом.

Прямоугольник обозначает живую структуру или биомассу основного компонента модели. Общее поступление энергии обозначено буквой I. Для облигатных автотрофов - это свет, для облигатных гетеротрофов - это органическая пища.

Не вся энергия, поступившая в биомассу, подвергается превращению: часть ее может пройти через пищеварительный тракт, не включаясь в метаболизм, и выделиться с экскрементами или, если речь идет об автотрофах, часть света, проходит через растение не усваиваясь. Эта часть энергии NU . Использованная, или ассимилированная часть энергии на схеме обозначена буквой А. Отношение А и I, т.е. эффективность ассимиляции, широко варьирует. Оно может быть очень мало, как в случае усвоения света растениями или пищи у животных, или же очень велико, как в случае ассимиляции животными или бактериями высококалорийных продуктов, например, сахаров или аминокислот. У автотрофов А - это валовая первичная продукция.

Ключевая особенность этой модели - это разделение ассимилированной энергии на компоненты Р и R. Та часть фиксированной энергии, которая окисляется и теряется в форме тепла, называется дыханием, а та часть, которая превращается в новое или принадлежащее другому виду органическое вещество называется продукцией (P). У растений - это чистая продукция, у животных - вторичная продукция. Компонент Р - это энергия, доступная следующему трофическому уровню, в противоположность компоненту NU , который доступен на данном трофическом уровне.

NU

 
 


       
   
 

 


S

G

I A P

E

 
 


R

           
   
     
 

 

 


Рис.1.4. Универсальная модель потока энергии

 

Отношения Р /R и биомасса/Р широко варьируют. Они имеют важное экологическое значение. В целом часть энергии, идущая на дыхание, т.е. на поддержание структуры организма, велика в популяциях крупных организмов и в сообществах с большой биомассой на корню. При стрессовых воздействиях на биологическую систему расходы на дыхание возрастают. Величина продукции сравнительно велика в активных популяциях мелких организмов, например, бактерий или водорослей, в молодых быстро растущих сообществах, в системах, получающих энергетические дотации. Продукция может принимать различные формы. Три ее типа указаны на рисунке: G - рост и увеличение биомассы, Е - ассимилированное органическое вещество, выделяемое с секретами, S - запас, например жировые накопления, которые могут быть использованы позже (хищник использует энергию запасных веществ, чтобы найти новую жертву).

 

Практическая часть

«Определение трофической структуры биоценоза»

Цель: изучить взаимоотношения популяций в сообществах, ознакомиться с методами исследования биоценозов

Методы изучения и описания структур биоценоза

Трофические отношения между организмами иллюстрируются в виде трофических схем, в которых каждый организм представлен как питающийся, или служащий пищей для других. На схемах представлены обычно только некоторые из возможных отношений и, как правило, каждая схема включает одного или двух хищников верхних трофических уровней.

Для изучения взаимоотношений между организмами в экосистеме строят пирамиды численности.

Диапазон численности разных видов настолько широк, что сложно соблюсти масштаб при изображении. В этих случаях принято использовать логарифмическую шкалу.

Неудобств, связанных с использованием пирамид численности можно избежать, если учитывать не численность организмов, а их суммарную массу (биомассу).

Однако, наиболее фундаментальным и, в определённом смысле, идеальным способом отображения связей между организмами на разных трофических уровнях служит пирамида энергии, обладающая рядом преимуществ:

отображает скорость образования биомассы;

учитывает, что при одинаковой биомассе два вида могут иметь разную энергетическую ценность.

Пирамиды энергии позволяют сравнивать не только разные сообщества, но и определять значимость популяций внутри сообщества. Например, почвенные бактерии или фитопланктон, несмотря на ничтожную биомассу, имеют огромную важность с точки зрения потока энергии.

Получать данные для пирамид энергии в научной практике сложнее всего, так как требуется дополнительная информация об энергетической стоимости разных видов организмов. На практике, пирамиды энергии с достаточной точностью могут быть получены из пирамид биомассы, путем пересчёта на основе лабораторных данных об энергетическом содержании биовещества.

Задания

1. Составить схему пищевой цепи из перечисленных организмов, обозначить трофические уровни и дать им определения, указать, к какому типу относится пищевая цепь:

1) личинки падальных мух, мертвое животное, аист, лягушка, обыкновенный уж;

2) водоросли, рачок дафния, карась, личинки стрекоз, бактерии гниения;

3) листовая подстилка, дождевой червь, ястреб-перепелятник, черный дрозд, куница;

4) божья коровка, тля, сосна, насекомоядная птица, паук;

5) кулик, береговая улитка, сорока, фитопланктон, мелкая рыба;

6) карась, улитки (прудовик и катушка), растения (элодея и валлиснерия), инфузория-туфелька, сапрофитные бактерии;

7)землеройка, паук, нектар, сова, муха;

8) рябчик, клен, ястреб, бактерии гниения, короед;

9) мышь, заяц, семена, ястреб, гадюка;

10) личинки насекомых, торф, нерпа, хариус, белый медведь.

11) гусеница, кукушка, дерево с листьями, канюк, почвенные бактерии

12) ягель, северный олень, лемминг, белая сова, песец.

2. На рис. 1.5 показаны потоки энергии, проходящей через небольшую часть луговой экосистемы:

1) какова валовая первичная продукция злаков и разнотравья;

2) какова эффективность фотосинтеза, т.е. преобразования поступающей солнечной энергии в валовую продукцию;

3) чему равна продукция грызунов;

4) чему равна продукция паукообразных;

5) чему равна продукция саранчовых;

6) какие организмы являются продуцентами;

7) какие организмы являются первичными консументами;

8) какие организмы являются вторичными консументами;

9) какие организмы относятся к автотрофам, гетеротрофам?

10) сколько энергии теряется при дыхании и выделении фекалий у полевых мышей;

11) сколько энергии теряется при дыхании и выделении фекалий у полевых птиц, питающихся семенами;

12) сколько энергии теряется при дыхании и выделении фекалий у зеленых саранчовых;

 

3. Для экосистем, указанных в табл. 1.1 рассчитать чистую первичную продукцию, продуктивность сообщества. Сравнить экосистемы. Пояснить какие сообщества являются стабильными и почему?

Таблица 1.1

Годовая продукция в экосистемах, ккал/ м2 в год [3]

Показатели потока Экосистемы  
энергии в экосистемах Поле Люцер- -ны Посадки сосны Сосно-вый лес Большой ручей Дожде-вой лес Прибреж- ный пролив
Валовая первичная продукция
Дыхание автотрофов
Дыхание гетеротрофов

Сравнить:

1) поле люцерны и посадки сосны

2) посадки сосны и сосновый лес

3) сосновый лес и большой ручей

4) большой ручей и дождевой лес

5) дождевой лес и прибрежный пролив

6) поле люцерны и сосновый лес

7) посадки сосны и дождевой лес

8) сосновый лес и дождевой лес

9) большой ручей и прибрежный пролив

10) поле люцерны и большой ручей

11) посадки сосны и дождевой лес

12) сосновый лес и прибрежный пролив

4. С помощью рис. 1.6 выполнить следующие задания.

1-4) В пирамиде А первичные продуценты (растения) - организмы малых размеров, а численность их выше численности травоядных животных. Опишите и объясните различия между пирамидами А и Б.

5-8) Жгутиковые простейшие Leptomonas паразитируют на мелких насекомых, тысячи их могут быть найдены в одной блохе. Постройте пирамиду численности на основе следующей пищевой цепи: трава - травоядное млекопитающее - блоха - Leptomonas.

9-12) Дайте объяснение различия между пирамидами А и В.

Консументы 3-го порядка

Консументы 2-го порядка

       
   
 
 


Консументы 1-го порядка

Продуценты

А) В)

Консументы 3-го порядка

 
 


Консументы 2-го порядка

Травоядные (консументы 1 порядка)

Растения(продуценты)

 

Рис. 1.6. Экологические пирамиды численности

5. Пользуясь правилом экологической пирамиды, подсчитайте, какая площадь соответствующего биогеоценоза может выкормить одну особь последнего звена в цепи питания:

1) планктон - нехищная рыба - щука 10 кг;

2) планктон - нехищная рыба - скопа 5 кг;

3) планктон - нехищная рыба - орлан-белохвост 6 кг;

4) растения - беспозвоночные - карп 3 кг.

5) водная растительность – улитки – кулик-сорока 0,8 кг.

Биологическая продуктивность планктона 600, донной растительности 1000 г/м2 в год (в пересчете на сухую биомассу).

6) Сколько нужно травы, чтобы вырос один орел весом 5 кг. Уровни пищевой цепи: орел, трава, заяц.

7) Сколько понадобится фитопланктона, чтобы выросла одна щука весом 10 кг. Уровни пищевой цепи: зоопланктон, мелкие рыбы, щука, окунь, фитопланктон.

8) Сколько понадобится фитопланктона, чтобы вырос один медведь весом 300 кг. Уровни пищевой цепи: лосось, мелкие рыбы, медведь, зоопланктон, фитопланктон.

9) Сколько понадобится фитопланктона, чтобы вырос один синий кит весом 150т. Уровни пищевой цепи: синий кит, фитопланктон, зоопланктон.

10) Сколько нужно зерна, чтобы выросла одна лисица массой 7 кг. Уровни пищевой цепи: мышь-полевка, зерно, лиса.

11) Сколько нужно травы, чтобы вырос один аист весом 4 кг. Уровни пищевой цепи: аист, лягушки, водная растительность, личинки водных насекомых.

12) Вес самки одного из видов летучих мышей, питающихся насекомыми, не превышает 5 грамм. Вес каждого из двух ее новорожденных детенышей – 1 грамм. За месяц выкармливания детенышей молоком вес каждого из них достигает 4.5 грамма. На основании правила экологической пирамиды определите, какую массу насекомых должна потребить самка за это время, чтобы выкормить свое потомство.

6. По данным, приведенным в табл. 1.2 определить, какой из видов более эффективно использует энергию пищи на рост и накопление жировых запасов.

Таблица 1.2

Продукция, тыс. кал/ га

Вид Корм Вторичная продукция
потребленный усвоенный
Малый суслик
Степной суслик

7. По данным табл. 1.3 рассчитать количество усвоенной пищи и ту часть усвоенной пищи, которая идет на метаболизм и на прирост биомассы. На что расходуется большая часть энергии пищи?

Таблица 1.3

Показатели трофической деятельности сусликов в полупустыне Прикаспия, кг/га сухой массы

Год Урожай растений Изъято сусликами Кормовые остатки Экскре- менты Прирост биомассы популяции
4,2
3,0
2,0

 

 

Рис. 1.5. Поток энергии через небольшую часть луговой экосистемы (кДж / м2 . год) [2]  

 

8.Соотнесите понятия, обозначающие различные способы добывание пищи, с их определениями и распишите в отчете.

а) Паразит; б) Фильтратор; в) Хищник; г) Собиратель; д) Пасущийся организм.

Определения:

А. Организм, который активно разыскивает и убивает относительно крупные жертвы, способные убегать, прятаться или сопротивляться.

Б. Организм (имеющий, как правило, небольшие размеры), который использует живые ткани или клетки другого организма в качестве источника питания и среды обитания.

В. Организм, который поглощает многочисленные пищевые объекты, как правило, растительного происхождения, на которых он не тратит много сил.

Г. Водное животное, процеживающие через себя воду с многочисленными мелкими организмами, которые служат ему пищей.

Д. Организм, который разыскивает и поедает относительно мелкие, неспособные убегать и сопротивляться пищевые объекты.

9.Назовите тип пищевых отношений (паразитизм, фильтрация, хищничество, собирательство, пастьба), который соответствует следующим парам взаимодействующих организмов и распишите в отчете:

а) заяц - клевер; б) дятел - короеды; в) лиса - заяц; г) человек - аскарида;

д) медведь - лось; е) медведь - личинки пчел; ж) синий кит - планктон;

з) корова - тимофеевка; и) гриб-трутовик - береза; к) карп - мотыль;

л) стрекоза - муха; м) моллюск беззубка - простейшие; н) тля - щавель;

о) гусеница сибирского шелкопряда - пихта; п) кузнечик - злак мятлик;

р) губка - простейшие; с) вирус гриппа - человек; т) коала - эвкалипт;

у) холерный вибрион - человек; ф) божья коровка - тля; х) муравьед - термиты.

10 .Прочитайте список организмов и укажите, к каким из перечисленных групп они относятся. Составьте таблицу.

Группы: А.Фитофаги. Б.Зоофаги. В.Паразиты. Г. Симбионты. Д. Детритофаги

Список организмов: волк, палочка Коха, росянка, иксодовый клещ, щука, самка комара, слон, бычий цепень, дафния, дождевой червь, личинка навозной мухи, колорадский жук, кролик, рак, рысь, гриб-трутовик, овца, карп, клубеньковые бактерии, жук-скарабей, подберезовик.

11. Составьте таблицу, выбрав предлагаемые понятия и соответствующие им определения типов воздействия.

Типы взаимодействия организмов
Понятие Определение
   

Понятия:

а) мутуализм (симбиоз); б) нейтрализм; в) конкуренция; г) аменсализм;

д) комменсализм; е) комменсализм (нахлебничество); ж) паразитизм;

з) хищничество.

Определения:

А. Взаимодействие двух или нескольких особей, последствия которого для одних отрицательны, а для других безразличны.

Б. Взаимодействие двух или нескольких особей, при котором одни используют остатки пищи других, не причиняя им вреда.

В Взаимовыгодное взаимодействие двух или нескольких особей.

Г. Взаимодействие двух или нескольких особей, при котором один предоставляет убежища другим и это не приносит хозяину ни вреда, ни пользы.

Д. Совместное обитание двух особей, непосредственно не взаимодействующих между собой.

Е. Взаимодействие двух или нескольких особей, имеющих сходные потребноти в одних тех же органических ресурсах, что приводит к снижению жизненных показателей взаимодействующих особей.

Ж. Взаимодействие двух или нескольких организмов, при котором одни пи­таются живыми тканями или клетками и получают от них место постоянного или временного обитания.

3. Взаимодействие двух или нескольких особей, при котором одни поедают других.

12. Взаимодействие двух организмов теоретически можно представить в виде парных комбинаций символов «+», «-» и «0», где «+» обозначает улучшение положения для организма, «-» - ухудшение и «О» - отсутствие значимых изменений при взаимодействии. Обозначьте предлагаемые типы биотических взаимодействий (хищничество, мутуализм (симбиоз), паразитизм, нейтрализм, конкуренция, комменсализм (нахлебничество), аменсализм, комменсализм) соответственными парным комбинациям символов «+», «-», «0»). Приведите примеры этих взаимоотношений.

13. Рассмотрите график зависимости численности божьей коровки от температуры окружающей среды.


Укажите следующие параметры:

А. Температура, оптимальная для этого насекомого.

Б. Диапазон температур зоны оптимума.

В. Диапазон температур зоны пессимума (угнетения).

Г. Две критические точки.

Д. Пределы выносливости вида.