Экосистема: трофические уровни и поток энергии на схеме

Какие элементы нужны на схеме экосистемы

Экосистема включает живые организмы и неживые компоненты среды, связанные обменом вещества и преобразованиями энергии. Одного перечня растений и животных недостаточно: схема должна показывать отношения между ними и объяснять значение каждой стрелки.

Для простой наземной модели обозначим солнечное излучение, растения, растительноядных животных, хищников, мёртвое органическое вещество, разлагающие организмы и неорганические вещества почвы. Эти блоки относятся к разным типам объектов. «Свет» не является организмом, а «почва» не равнозначна продуценту, хотя содержит живые организмы.

Продуценты образуют органические вещества из неорганических, используя энергию. В рассматриваемой модели это зелёные растения, получающие энергию света. Существуют и другие типы продуцентов, но в задаче важно следовать обозначенному источнику, а не подменять его примером из иной среды.

Консументы получают органическое вещество при питании другими организмами или их частями. Разложение мёртвого органического вещества связано с деятельностью бактерий, грибов и других участников детритной системы. В школьной схеме редуцентами обычно называют организмы, которые доводят разложение до простых неорганических веществ; не любой поедатель остатков выполняет все этапы этого процесса.

Для рисунка по собственным наблюдениям полезен материал об экосистеме школьного двора. Здесь задача другая: показать уровни питания и проверить энергетические расчёты на условных числах.

Как определить трофический уровень

Трофический уровень обозначает положение в передаче органического вещества и энергии по пищевым связям. Начните с продуцентов, а затем переходите к тем, кто ими питается. В простой линейной цепи номер уровня получается последовательным счётом, но в сети положение организма может зависеть от рациона.

Возьмём учебную цепь: травянистое растение → растительноядное насекомое → насекомоядная птица → хищная птица. Она служит моделью отношений питания. Условие должно прямо задавать, кто кем питается: по одному расположению картинок надёжно восстановить цепь нельзя.

В этой цепи растение находится на первом трофическом уровне. Насекомое — консумент первого порядка и второй трофический уровень. Насекомоядная птица — консумент второго порядка и третий уровень. Хищная птица — консумент третьего порядка и четвёртый уровень. Порядок консумента на единицу меньше номера уровня, потому что продуценты включены в нумерацию уровней.

Таблица относится к выбранной цепи, а не закрепляет неизменный номер за целым видом во всех условиях.

Участник условной цепи	Роль в цепи	Трофический уровень
Растение	Продуцент	1
Растительноядное насекомое	Консумент первого порядка	2
Насекомоядная птица	Консумент второго порядка	3
Хищная птица	Консумент третьего порядка	4

Если птица ест и семена растений, и насекомых, к ней ведут два пути. При питании семенами она получает органическое вещество непосредственно от продуцента; при питании растительноядными насекомыми — через дополнительное звено. Поэтому на сети её нельзя без оговорки поставить только на один целый уровень.

Редуценты связаны с остатками организмов разных уровней. Разместить их единственным «последним этажом» после высшего хищника означало бы потерять опад растений, погибших травоядных и остальные источники детрита. Их блок лучше соединить с мёртвым органическим веществом, поступающим от разных групп.

Стрелки питания, энергии и вещества

Смысл стрелки определяется легендой. Для пищевой цепи принято показывать направление от пищи к потребителю: органическое вещество и содержащаяся в нём химическая энергия переходят от съедаемого организма к тому, кто питается им. Это не направление атаки хищника.

На общей схеме одновременно встречаются другие стрелки. От Солнца к растениям поступает энергия излучения. От неорганических веществ среды к растениям направляют поступление вещества. От организма к блоку «теплота» показывают рассеивание энергии. Эти стрелки нельзя объявить одинаковыми по содержанию только потому, что у них одна форма.

Полезно выбрать разный тип линий и дать текстовую легенду: сплошная стрелка — пищевой перенос; пунктир — поступление неорганических веществ; отдельная подпись — рассеивание энергии. Если цвет используется в тетради, добавьте словами его значение: цвет без легенды не объясняет процесс.

Пищевую сеть и последствия изменения звена можно подробнее разобрать на схеме водоёма. Для энергетической задачи к такой сети нужны дополнительные сведения: сколько энергии учитывается, за какой период и какие пути включены в расчёт.

Различие цепей, сетей и передачи энергии рассматривается в учебном разделе OpenStax об энергетическом потоке. На собственной схеме подпишите выбранную цепь и не изображайте её как полный перечень связей реальной экосистемы.

Энергетическая пирамида: что означает уменьшение значений

Пирамида энергии сравнивает энергетические потоки или продукцию трофических уровней за сопоставимый период и на сопоставимой территории. В учебной задаче часто дают энергию, накопленную в новой биомассе каждого уровня за год. Это поток за период, а не просто масса живых организмов в день наблюдения.

Растение не превращает всё падающее на него излучение в органическое вещество. Далее часть органического вещества не съедается данным консументом, часть съеденного не усваивается, часть усвоенной энергии расходуется при жизнедеятельности. В итоге энергия, представленная новой биомассой потребителя, меньше энергии исходного пищевого ресурса при согласованном учёте одной системы.

Уменьшение значения на следующем уровне не означает, что энергия нарушила закон сохранения. Она может перейти в теплоту, остаться в несъеденных остатках или перейти в другие ветви пищевой сети. Формулировка «90% энергии исчезло» скрывает пути преобразования и поэтому неверна.

Не путайте три пирамиды. Численность выражают в количестве особей, биомассу — в единицах массы, энергию или энергетическую продукцию — в энергетических единицах с указанием периода и границ. Большая масса одного дерева может поддерживать множество мелких потребителей, поэтому рисунок численности не обязан иметь ту же форму, что рисунок энергетического потока.

В водной системе запас биомассы быстро обновляющихся продуцентов иногда меньше запаса потребителей в момент подсчёта. Это не опровержение направления потока энергии. Запас на дату и продукция за год — разные показатели. Сначала прочитайте подпись пирамиды, затем делайте вывод.

Расчёт передачи при заданном коэффициенте

Коэффициент передачи в условной задаче — отношение энергии, учтённой на следующем уровне, к энергии предыдущего уровня при выбранном способе учёта. Обозначим его k: k = Eслед / Eпред. В процентах эффективность записывают как k × 100%. Перед расчётом убедитесь, что единицы и периоды совпадают.

Пусть условная модель задаёт продукцию растений 24 000 кДж за год на выделенном участке, а передача на каждом из трёх последовательных переходов равна 10%. Значение 10% дано как правило задачи; оно не объявляется универсальной константой природы.

Первый переход даёт 24 000 × 0,10 = 2 400 кДж, второй — 2 400 × 0,10 = 240 кДж, третий — 240 × 0,10 = 24 кДж. Для всех строк сохраняются один участок и один год. Подпись «кДж за год на выбранном участке» относится ко всей таблице.

Уровень	Учтённая энергия продукции, кДж за год	Доля от продукции растений
Продуценты	24 000	1
Консументы первого порядка	2 400	0,10
Консументы второго порядка	240	0,01
Консументы третьего порядка	24	0,001

Между первым и четвёртым уровнями три перехода, поэтому общий коэффициент равен 0,10³ = 0,001. Конечный уровень получает 0,1% исходной продукции растений. Это не 30%: коэффициенты последовательных переходов перемножаются, а не складываются.

Если известны 24 кДж на четвёртом уровне и коэффициенты, обратный расчёт выполняют делением: 24 / 0,10 = 240, затем 2 400 и 24 000 кДж. Умножение на 0,10 в обратном направлении даст меньшую исходную продукцию и противоречит условиям модели.

Когда коэффициенты разные

В другом задании каждый переход может иметь собственную эффективность. Тогда запись «все уровни отличаются в десять раз» заменяется последовательным расчётом по данным условия. Сначала выпишите коэффициенты в долях, чтобы не перемножать целые числа процентов.

В вымышленной модели продукция растений равна 20 000 кДж за год на участке. На первый переход приходится 15%, на второй — 8%, на третий — 12%. Тогда значения уровней составят 3 000, 240 и 28,8 кДж за год соответственно.

Общий коэффициент равен 0,15 × 0,08 × 0,12 = 0,00144. Значит, продукция четвёртого уровня составляет 0,144% продукции первого. Итог 28,8 / 20 000 подтверждает тот же коэффициент. Такая обратная проверка помогает заметить ошибку при переводе процентов в доли.

Если в таблице даны 8 000 кДж и 960 кДж для двух соседних уровней за один год на одном участке, эффективность равна 960 / 8 000 × 100% = 12%. Деление в обратном порядке даёт число больше единицы и не отвечает на вопрос о доле передачи от предыдущего уровня.

По одному коэффициенту нельзя определить число животных. Для этого нужны энергетические потребности или продукция одной особи за тот же период, а также правила модели. Делить кДж на килограммы без заданного энергетического содержания вещества нельзя: получится величина, смысл которой не указан.

Условный энергетический баланс одного потребителя

Схема с одним коэффициентом скрывает несколько этапов. Чтобы понять, почему не всё съеденное превращается в новую биомассу, составим отдельный баланс для условной группы потребителей. Это учебные числа, выбранные для согласованного учёта, а не результаты измерения конкретного вида.

За период с пищей поступило 1 000 кДж. Из них 300 кДж вышли с неусвоенным материалом, а 700 кДж были усвоены. В модели усвоенные 700 кДж распределены между расходами на дыхание и связанным с ними рассеиванием теплоты — 500 кДж — и новой продукцией биомассы — 200 кДж. Другие статьи баланса здесь исключены условием.

Получаются две проверки: 1 000 = 300 + 700 и 700 = 500 + 200. Усвоение составляет 70% поступившей с пищей энергии, а новая продукция — 20% поступившей энергии или примерно 28,6% усвоенной. Эти проценты используют разные знаменатели.

Баланс показывает, что слова «передано», «съедено», «усвоено» и «накоплено в новой биомассе» нельзя считать синонимами. В задаче о следующем уровне обычно требуется уточнить, какое из этих значений дано. Если хищник съел только часть продукции, это ещё один этап, который должен быть описан отдельно.

Неусвоенные остатки могут стать ресурсом детритной системы; их энергия не обязательно сразу превратилась в теплоту. При дальнейших преобразованиях часть энергии используется организмами, а затем рассеивается. Поэтому разницу между соседними уровнями нельзя целиком подписать «теплота», если условие не задаёт такого упрощения.

Почему вещество участвует в круговороте, а энергия течёт

Вещество на схеме можно проследить через смену химических форм. Для условного пути углерода начните с углекислого газа: при фотосинтезе углерод входит в органические вещества растения, затем может перейти к потребителю. При дыхании и разложении органического вещества часть углерода вновь оказывается в углекислом газе.

Путь минеральных элементов удобно показать через почву. Растения поглощают доступные неорганические соединения; вещества включаются в состав организмов; остатки и выделения поступают в детритную систему; при преобразованиях появляются формы, которые снова могут быть доступны растениям. Для конкретного элемента требуются свои химические стадии, поэтому стрелка «редуценты → минеральные вещества» является школьным обобщением.

Энергия проходит через те же пищевые связи, но рассеивается в виде теплоты. Продуценты не получают обратно всю рассеянную теплоту для повторного выполнения фотосинтеза. Наземная фотосинтетическая модель поддерживается новым поступлением солнечной энергии. Различие направленного энергетического потока и переработки вещества описано в разделе OpenStax о биогеохимических циклах.

На схеме поэтому нужны две разные мысли. Вещество может двигаться по повторяющимся путям после превращений. Энергия поступает извне, преобразуется и рассеивается. Назвать обе схемы «замкнутым круговоротом энергии и вещества» означало бы убрать это различие.

Даже для вещества реальная экосистема не обязана быть полностью замкнутой. С участка могут уноситься вещества водой, ветром или при перемещении организмов; могут приходить новые вещества. В школьном упрощении внутренний цикл можно показать, но границы участка и внешние обмены следует обозначить, если они важны для задания.

Экосистема и биогеоценоз: как объяснить различие

Слово «экосистема» используют для систем разного масштаба, если рассматривают взаимодействие живых и неживых компонентов. Школьный пруд, лесной участок и небольшой аквариум можно анализировать таким способом, хотя их границы, состав и степень участия человека различаются.

В школьном употреблении «биогеоценоз» обычно связывают с относительно однородным природным участком и комплексом сообщества и условий среды. Экосистема — более широкое понятие; биогеоценоз можно рассматривать как экосистему определённого территориального типа. В учебном пособии Оренбургского государственного университета на странице 129 границы биогеоценоза связываются с характером растительного покрова. Формулировку термина для ответа стоит согласовать с используемым учебником.

Это различие не меняет направление пищевой стрелки и не отменяет энергетического баланса. Для любой выбранной системы сначала задают границы, затем объясняют связи. Если на рисунке изображён аквариум, не следует только по наличию растений и рыб объявлять его природным биогеоценозом.

При сравнении двух схем задайте одинаковые вопросы: какие группы производят органическое вещество, какие потребляют его, куда идут остатки, откуда поступает энергия и куда выводятся вещества. Такой способ сравнения даёт содержательный ответ даже при разном масштабе систем.

Как оформить схему и расчёт в тетради

Хорошая схема читается без устных пояснений. Начните с названия системы и границ: например, «условный наземный участок, энергетическая продукция за один год». Затем разместите уровни питания, отдельный блок детрита и источники неорганических веществ.

Проведите пищевые стрелки от источника к потребителю. Соедините разные уровни с детритом, а разложение — с соответствующими веществами среды. Для энергии покажите вход и рассеивание; для вещества — пути превращений. У каждого типа стрелок должна быть легенда.

Численные подписи ставьте только там, где их задаёт условие или где вы выполнили расчёт. Не дописывайте «10%» к каждой стрелке живой пищевой сети без данных. Если схема линейная, явно обозначьте, что это выбранная цепь, а не вся сеть.

Под рисунком запишите хотя бы один образец вычисления: «E₂ = E₁ × k₁ = 24 000 × 0,10 = 2 400 кДж за год». В выводе назовите число переходов, конечную долю и ограничения модели. Так читатель сможет проверить как рисунок, так и арифметику.

Задания для самостоятельной работы

Используйте правила и определения схемы выше. Все численные данные условные, а энергии соседних уровней относятся к одному участку и одному году, если не сказано иначе. При вычислениях подписывайте единицы и различайте процент передачи с одного уровня и долю от первого уровня.

1. В цепи «растение → растительноядное насекомое → насекомоядная птица» назовите трофические уровни и порядки консументов.
2. Объясните направление стрелки между насекомым и птицей. Что именно она показывает?
3. Продукция растений — 24 000 кДж, каждый переход передаёт 10%. Найдите значения второго, третьего и четвёртого уровней.
4. Какая доля продукции первого уровня представлена на четвёртом уровне в задании 3? Выразите её в процентах.
5. Энергии продукции соседних уровней — 8 000 и 960 кДж. Найдите эффективность передачи.
6. Исходная продукция — 20 000 кДж, коэффициенты трёх переходов — 15%, 8% и 12%. Рассчитайте конечную продукцию и её долю от исходной.
7. На третьем уровне 180 кДж, на каждом из двух предыдущих переходов передаётся 10%. Найдите продукцию первого уровня.
8. Потребитель получил с пищей 1 000 кДж, не усвоил 300 кДж, затраты на дыхание в модели — 500 кДж. Найдите усвоенную энергию и продукцию биомассы.
9. Птица питается семенами растений и растительноядными насекомыми. Почему нельзя закрепить за ней только один уровень этой сети? Откуда редуценты получают органическое вещество?
10. Исправьте две подписи: «Вся разница между уровнями исчезла» и «Рассеянная энергия возвращается растениям по круговороту». Укажите, каких данных не хватает для полного баланса.

Ответы

Проверьте не только конечное число, но и выбранную величину. Если в условии спрашивается эффективность соседнего перехода, сравнивают два соседних уровня. Если спрашивается доля от продуцентов, знаменатель берут на первом уровне.

1. Растение — первый уровень, продуцент. Насекомое — второй уровень, консумент первого порядка. Птица — третий уровень, консумент второго порядка.
2. Стрелка идёт от насекомого к птице: органическое вещество пищи и его химическая энергия переходят к потребителю. Направление охоты для этой легенды не используется.
3. Второй уровень — 2 400 кДж, третий — 240 кДж, четвёртый — 24 кДж за год на участке. На каждом шаге предыдущее значение умножается на 0,10.
4. 24 / 24 000 = 0,001 = 0,1%. Между уровнями три перехода; общий коэффициент равен произведению 0,10 × 0,10 × 0,10.
5. 960 / 8 000 × 100% = 12%. Это доля энергии следующего уровня от энергии предыдущего при заданном учёте.
6. Получаем 3 000, 240 и 28,8 кДж. Общий коэффициент — 0,00144, или 0,144%; 20 000 × 0,00144 = 28,8 кДж.
7. Второй уровень — 180 / 0,10 = 1 800 кДж; первый — 1 800 / 0,10 = 18 000 кДж. Обратный переход требует деления на коэффициент.
8. Усвоено 1 000 − 300 = 700 кДж. Новая продукция — 700 − 500 = 200 кДж. Баланс верен для оговорённой модели, где другие статьи исключены.
9. У птицы два пищевых пути: непосредственно от продуцента и через консумента первого порядка. Детрит поступает от организмов разных уровней, поэтому редуценты не питаются только остатками высшего хищника.
10. Энергия преобразуется, часть рассеивается как теплота, часть может оставаться в остатках или иных ветвях сети. Для полного баланса нужны значения этих путей и границы системы. Растения получают новое поступление энергии, а вещество может повторно участвовать в превращениях.

Самопроверка

Посмотрите на схему без исходного условия. Видны ли её границы, период, единицы и значение стрелок? Если на ней стоят только названия животных и проценты, добавьте источник энергии, продуцентов, детритную ветвь и пояснение того, какой показатель сравнивается.

Проверьте, что продуценты включены в первый уровень; порядок консумента не перепутан с номером уровня; всеядность показана несколькими связями; редуценты получают остатки разных групп; коэффициенты переведены в доли; последовательные коэффициенты перемножены; запас биомассы не выдан за продукцию за период.

В завершённом объяснении должны присутствовать обе стороны задачи: организмы связаны питанием и превращениями вещества, а энергетические значения рассчитаны по заданным правилам. Правильно подписанная схема позволяет увидеть эти связи и проверить каждый переход без догадок о смысле стрелок.