13.1 Правило 10%

Существуют определенные закономерности перехода энергии с одного трофического уровня на другой вместе с потребляемой пищей. Основная часть энергии, усвоенной консументом с пищей, расходуется на его жизнеобеспечение (движение, поддержание температуры тела и т.д.). Эту часть энергии рассматривают как «траты на дыхание», с которым связаны все возможности ее высвобождения из химических связей органического вещества. Другая часть энергии поступает в тело организма потребителя, увеличивая его массу. Некоторая доля пищи не усваивается организмом, поэтому из нее не высвобождается и энергия. Эта энергия в последующем высвобождается из экскрементов другими организмами – редуцентами, которые потребляют их в пищу. Таким образом, «траты на дыхание» или на жизнедеятельность в сумме с не усвоенной пищей являются максимальными и составляют 90% от потребленной. Поэтому переход энергии с одного трофического уровня на другой в среднем принимается близкой к 10% от энергии, потребленной с пищей. Эта закономерность была установлена Р.Линдеманом в 1942г. и названа «правилом 10%». Данное правило надо оценивать как относительное, ориентировочное, хотя из него следует, что цепь питания имеет ограниченное количество уровней, обычно не более 4-5, пройдя через них, практически, вся энергия оказывается рассеяной. Из этой закономерности вытекают важные практические выводы:

Во-первых, с энергетической точки зрения потребление животной пищи крайне нецелесообразно, т.к. образование этой продукции связано с большими потерями (рассеиванием) энергии. Особенно велики потери при переходе от растений к травоядным животным, т.е. с первого трофического уровня на второй. В качестве примера можно рассмотреть следующую цепь питания: люцерна  телята  мальчик. Показано, что если бы мальчик весом 48 кг питался только телятиной, то за год ему потребовалось бы для обеспечения жизнедеятельности 4,5 теленка, для питания которых в свою очередь необходим урожай люцерны с площади 4га весом 8211кг. Вот такая энергетическая цена животной пищи.

Во-вторых, чтобы сократить вероятность дефицита продуктов питания для интенсивно возрастающей численности населения надо, чтобы в рационе людей больший удельный вес занимала растительная пища. Энергетически идеальным считается вегетарианство.

В-третьих, для увеличения КПД использования пищи при получении животноводческой продукции в условиях культурного хозяйства очень важно уменьшить основную статью нерационального расходования энергии (90%) – ее траты на дыхание. Это возможно за счет поддержания оптимального температурного режима в животноводческих помещениях, ограничения подвижности животных и сбалансированности кормового рациона.

13.2 Экологические пирамиды.

В природе каждая популяция в основном принадлежит к определенному трофическому уровню. Чем выше трофический уровень, тем меньшее количество их организмов, тем медленнее они размножаются. На эту особенность еще в 1927году обратил внимание Ч.Элтон, предложив правило пирамид чисел на каждом трофическом уровне. Экологами изучены три основных типа экологических пирамид: пирамида чисел, пирамида биомассы и пирамида энергии, т.е. если численность организмов, количество биомасс и энергий на каждом трофическом уровне изображать в виде прямоугольников в одном и в том же масштабе, то их распределение будет иметь вид пирамид. Правило пирамид формулируется следующим образом: численность организмов, количество биомасс и энергии, содержащейся в организмах на любом последующем трофическом уровне цепи питания, меньше ее значений на предыдущем уровне. В качестве примера в экологии рассматривается цепь питания: люцерна  телята  мальчик. Где показано, что если бы мальчик весом 48 кг питался только телятиной, то за год ему потребовалось бы для обеспечения жизнедеятельности 4,5 теленка, вес которых составляет около 225 кг. Для питания этих телят необходим урожай люцерны с площади 4 га весом 8211 кг. Можно установить и количество энергии, содержащейся в единице веса отдельных видов продукции, если известно, что 1г животной продукции содержит в среднем около 6-7 ккал энергии, а растительной – 4-5 ккал. Таким образом, на основании этих данных можно построить все три пирамиды: численности особей, их биомассы и количества энергии. Их условно изображают в виде прямоугольников, длина или площадь которых соответствуют тому или иному трофическому уровню. Помещая эти прямоугольники друг на друга, получают своего рода пирамиду. Они будут иметь следующий вид (рис. )

Для водных экосистем закономерности соотношения биомасс на различных трофических уровнях имеют свою специфику. Пирамида биомасс здесь как бы перевернута, т.е. биомасса животных, потребляющих растительную продукцию, больше биомассы растительных организмов. Причина этого – резкие различия в продолжительности жизни организмов сравниваемых уровней. Первый уровень или уровень продуцентов представлен в основном

Рис. Упрощенная схема экологической пирамиды (а) и пирамиды чисел (б)

фитопланктоном с очень коротким периодом жизни, составляющим несколько дней или часов. Второй уровень составляют долгоживущие организмы – зоопланктон или другие питающиеся фитопланктоном животные (рыбы, моллюски, киты и т.п.). Они накапливают биомассу годами и десятилетиями.

Таким образом, энергетика экосистем, определяемая пищевыми цепями, показывает огромную роль организмов продуцентов в преобразовании солнечной энергии в химическую. Количество энергии, передаваемой по пищевой цепи от одного трофического уровня к другому, согласно правилу пирамид, меньше чем на предыдущем, например, если сравнить первичную продуктивность, созданную растениями и вторичную, созданную животными и т д. Количество энергии как раз и служит тем лимитирующим фактором, который определяет длину трофической цепи. Все три правила пирамид – продукции, биомассы и чисел выражают энергетические отношения в экосистемах и если первые два проявляются в сообществах с определенной трофической структурой, то последние имеют универсальный характер. Знание этих законов имеет практическое значение. Это и первичная продукция агроценозов и эксплуатация человеком природных сообществ – основной источник запасов пищи для человечества. Вторичная продукция – это сельскохозяйственные животные, выращиваемые человеком для употребления в качестве мясной продукции, т.к. известно, что животные белки включают ряд незаменимых аминокислот, которых нет в растении.

Вопросы для обсуждения

1. Что такое продуктивность экосистем?

2. Чем отличается продуктивность от биомассы?

3. Из чего складывается валовая продукция?

4. Как называется продукция, созданная на уровне консументов?

5. Что ограничивает количество трофических уровней в пищевой цепи?

6. Объясните закон Р Линдемана.

7. Как звучит правило пирамид и что она отражает?

14. Типы межпопуляционных взаимодействий. Экологические ниши.

Биотические факторы, которых классифицировали как взаимоотношения между собой живых организмов, мы рассмотрим, изучая типы межпопуляционных отношений. В экологии выделяют взаимосвязи и взаимоотношения организмов в природе как различные понятия. Поэтому мы тоже выделим их отдельно.