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).
Задания.
1. Составить схему пищевой цепи из перечисленных организмов, обозначить трофические уровни и дать им определения, указать, к какому типу относится пищевая цепь:
а) личинки падальных мух, мертвое животное, лягушка, обыкновенный уж;
б) лиса, трава, кролик;
в) листовая подстилка, дождевой червь, ястреб-перепелятник, черный дрозд;
г) божья коровка, тля, сосна, насекомоядная птица, паук;
2. На рис. 1.5 показаны потоки энергии, проходящей через небольшую часть луговой экосистемы:
а) какова валовая первичная продукция злаков и разнотравья;
б) какова эффективность фотосинтеза, т.е. преобразования поступающей солнечной энергии в валовую продукцию;
г) чему равна продукция паукообразных;
д) чему равна продукция саранчовых;
е) сколько энергии теряется при дыхании и выделении фекалий у полевых мышей;
ж) какие организмы являются продуцентами;
з) какие организмы являются первичными консументами;
и) какие организмы являются вторичными консументами;
к) какие организмы относятся к автотрофам, гетеротрофам?
3. Для экосистем, указанных в табл. 1.1 рассчитать чистую первичную продукцию, продуктивность сообщества. Сравнить экосистемы. Пояснить какие сообщества являются стабильными и почему?
| Рис. 1.5. Поток энергии через небольшую часть луговой экосистемы (кДж / м2 . год) [2] |
Таблица 1.1
Годовая продукция в экосистемах, ккал/ м2 в год [3]
| Показатели потока | Экосистемы | |
| энергии в экосистемах | Поле люцерны | Прибрежный пролив |
| Валовая первичная продукция | ||
| Дыхание автотрофов | ||
| Дыхание гетеротрофов |
5. Пользуясь правилом экологической пирамиды, подсчитайте, какая площадь соответствующего биогеоциноза может выкормить одну особь последнего звена в цепи питания:
а) планктон - нехищная рыба - щука 10 кг;
Биологическая продуктивность планктона 600, донной растительности 1000 г/м2 в год (в пересчете на сухую биомассу).
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 [8]
| Год | Урожай растений | Изъято сусликами | Кормовые остатки | Экскре- менты | Прирост биомассы популяции |
| 3,0 |
8. Зная правило десяти процентов, рассчитайте:
A. Сколько нужно травы, чтобы вырос один орел весом 5 кг. Уровни пищевой цепи: орел, трава, заяц.
9. 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:
A. 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.
10. 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.
Решение заданий.
1. Составить схему пищевой цепи из перечисленных организмов, обозначить трофические уровни и дать им определения, указать, к какому типу относится пищевая цепь:
а) личинки падальных мух, мертвое животное, лягушка, обыкновенный уж;
Мертвое животное (детрит) → личинки падальных мух (редуценты) → лягушка (первичный консумент) → обыкновенный уж (вторичный консумент). Тип пищевой цепи – детритная цепь.
б) лиса, трава, кролик;
Трава (продуцент) → кролик (первичный консумент) → лиса (вторичный консумент). Тип цепи – пастбищная пищевая цепь.
в) листовая подстилка, дождевой червь, ястреб-перепелятник, черный дрозд;
Листовая подстилка(детрид) → дождевой червь(редуценты) → черный дрозд(первичный консумент) → ястреб – перепелятник(вторичный консумент). Тип пищевой цепи – детритная цепь.
г) божья коровка, тля, сосна, насекомоядная птица, паук;
Сосна(детрид) → тля(продуцент) → божья коровка(первичный консумент) → паук() → Насекомоядная птица(хищный консумент). Тип цепи – пастбищная цепь.
2. На рисунке 1.5 показаны потоки энергии, проходящей через небольшую часть луговой экосистемы:
а) какова валовая первичная продукция злаков и разнотравья?
20,4·106 + 3,6·106 = 24·106 кДж/м2·год
б) какова эффективность фотосинтеза, т.е. преобразования поступающей солнечной энергии в валовую продукцию?
г) чему равна продукция паукообразных?
700 – 500 = 200 кДж/м2·год
д) чему равна продукция саранчовых?
444·103 – 374,3·103 = 69,7 ·103 кДж/м2·год
е) сколько энергии теряется при дыхании и выделении фекалий у полевых мышей;
116·103 – 2·103 = 114 ·103 кДж/м2·год
ж) какие организмы являются продуцентами;
Травянистые растения.
з) какие организмы являются первичными консументами;
Птица питающаяся семенами, обычные зеленые саранчовые, полевая мышь.
и) какие организмы являются вторичными консументами;
Пауки.
к) какие организмы относятся к автотрофам, гетеротрофам?
Травянистые – автотрофы.
Птицы, саранча, пауки, мыши – гетротрофы.
3. Для экосистем, указанных в таблице, рассчитать чистую первичную продукцию, продуктивность сообщества. Сравнить экосистемы. Какие сообщества являются стабильными?
Годовая продукция в экосистемах, ккал/ м2 в год
| Показатели потока | Экосистемы | |
| энергии в экосистемах | Поле люцерны | Прибрежный пролив |
| Валовая первичная продукция | ||
| Дыхание автотрофов | ||
| Дыхание гетеротрофов |
а) Поле люцерны
– чистая первичная продукция: 24400 – 9200 = 15200 ккал/ м2 в год
– продуктивность сообщества: 15200 – (3200 + 800) = 14400 ккал/ м2 в год
б) Прибрежный прилив:
– чистая первичная продукция: 5700 – 3200 = 2500 ккал/ м2 в год
– продуктивность сообщества: 5700 – (3200 + 2500) = 0 ккал/ м2 в год
Вторую экосистему можно назвать стабильной, т.к. вся валовая первичная продукция расходуется на дыхание автотрофов и гетеротрофов. У первой экосистемы валовая первичная продукция с каждым годом будет расти.
5. Пользуясь правилом экологической пирамиды, подсчитайте, какая площадь соответствующего биогеоциноза может выкормить одну особь последнего звена в цепи питания:
а) планктон - нехищная рыба - щука 10 кг;
Щука 10кг; → нехищная рыба 100кг; → планктон 1000 кг;
1м2 = 0,6 кг планктона
1000кг планктона=1667 м2
7. По данным таблицы для 1972 года рассчитать количество усвоенной пищи и ту часть усвоенной пищи, которая идет на метаболизм и на прирост биомассы. На что расходуется большая часть энергии пищи?
Показатели трофической деятельности сусликов в полупустыне Прикаспия, кг/га сухой массы
| Год | Урожай растений | Изъято сусликами | Кормовые остатки | Экскременты | Прирост биомассы популяции |
| 3,0 |
Усвоенная пища = Изъято – Корм. ост. – Экскр. = 180 – 101 – 16 = 63 кг/га
Прирост биомассы = 
Метаболизм = 100% – 4,8% = 95,2%
8. Зная правило десяти процентов, рассчитайте:
а). Сколько нужно травы, чтобы вырос один орел весом 5 кг. Уровни пищевой цепи: орел, трава, заяц.
Сколько нужно травы, чтобы вырос один орел весом 5 кг. Уровни пищевой цепи: орел, трава, заяц.
Пищевая цепь: трава → заяц → орёл. Чтобы вырос орёл весом 5 кг, нужно 50 кг зайцев; чтобы вырастить 50 кг зайцев, нужно 500 кг травы. Ответ: 500 кг травы.
9. Соотнесите понятия, обозначающие различные способы добывание пищи, с их определениями и распишите в отчете.
а) Паразит – организм (имеющий, как правило, небольшие размеры), который использует живые ткани или клетки другого организма в качестве источника питания и среды обитания.
б) Фильтратор – водное животное, процеживающие через себя воду с многочисленными мелкими организмами, которые служат ему пищей.
в) Хищник – организм, который активно разыскивает и убивает относительно крупные жертвы, способные убегать, прятаться или сопротивляться.
г) Собиратель – организм, который разыскивает и поедает относительно мелкие, неспособные убегать и сопротивляться пищевые объекты.
д) Пасущийся организм – организм, который поглощает многочисленные пищевые объекты, как правило, растительного происхождения, на которых он не тратит много сил.
10. Назовите тип пищевых отношений (паразитизм, фильтрация, хищничество, собирательство, пастьба), который соответствует следующим парам взаимодействующих организмов и распишите в отчете:
а) заяц – клевер – пастьба;
б) дятел – короеды – собирательство;
в) лиса – заяц – хищничество;
г) человек – аскарида – паразитизм;
