Secondo quale principio vengono costruite le piramidi ecologiche? Piramide di numeri. Il ruolo della piramide ecologica

Come risultato di complesse relazioni nutrizionali tra diversi organismi, connessioni trofiche (alimentari) o catene alimentari. La catena alimentare è solitamente composta da diversi anelli:

produttori – consumatori – decompositori.

Piramide ecologica– la quantità di materia vegetale che funge da base per la nutrizione è molte volte maggiore della massa totale degli animali erbivori, e la massa di ciascuno degli anelli successivi della catena alimentare è inferiore a quella precedente (Fig. 54).

Piramide ecologica: rappresentazioni grafiche della relazione tra produttori, consumatori e decompositori in un ecosistema.

Riso. 54. Schema semplificato della piramide ecologica

o piramidi di numeri (secondo Korobkin, 2006)

Il modello grafico della piramide fu sviluppato nel 1927 da uno zoologo americano Charles Elton. La base della piramide è il primo livello trofico - il livello dei produttori, e i piani successivi della piramide sono formati da livelli successivi - consumatori di vari ordini. L'altezza di tutti i blocchi è la stessa e la lunghezza è proporzionale al numero, alla biomassa o all'energia al livello corrispondente. Esistono tre modi per costruire piramidi ecologiche.

1. Piramide di numeri (abbondanza) riflette il numero di singoli organismi a ciascun livello (vedi Fig. 55). Ad esempio, per nutrire un lupo, ha bisogno di almeno diverse lepri da cacciare; per nutrire queste lepri ne serve una quantità piuttosto grande varietà di piante. A volte le piramidi di numeri possono essere invertite o capovolte. Questo vale per le catene alimentari forestali, dove gli alberi fungono da produttori e gli insetti da consumatori primari. In questo caso, il livello dei consumatori primari è numericamente più ricco del livello dei produttori (un gran numero di insetti si nutre di un albero).

2. Piramide della biomassa – il rapporto tra le masse di organismi di diversi livelli trofici. Di solito nelle biocenosi terrestri la massa totale dei produttori è maggiore di ogni collegamento successivo. A sua volta, la massa totale dei consumatori di primo ordine è maggiore di quella dei consumatori di secondo ordine, ecc. Se gli organismi non differiscono troppo in termini di dimensioni, il grafico di solito risulta in una piramide a gradini con la punta affusolata. Quindi, per produrre 1 kg di carne di manzo sono necessari 70–90 kg di erba fresca.

IN ecosistemi acquatici si può anche ottenere una piramide di biomassa invertita, o rovesciata, quando la biomassa dei produttori risulta essere inferiore a quella dei consumatori, e talvolta dei decompositori. Ad esempio, nell'oceano, con una produttività sufficientemente elevata di fitoplancton, la sua massa totale in un dato momento può essere inferiore a quella dei consumatori (balene, pesci di grandi dimensioni, crostacei) (Fig. 55).

Riso. 55. Piramidi di biomassa di alcune biocenosi (secondo Korobkin, 2004):

P – produttori; RK – consumatori erbivori; PC – consumatori carnivori;

F – fitoplancton; 3 – zooplancton (la piramide di biomassa più a destra ha un aspetto invertito)

Piramidi di numeri e biomassa riflettono statico sistemi, cioè caratterizzano il numero o la biomassa degli organismi in un certo periodo di tempo. Non forniscono informazioni complete sulla struttura trofica di un ecosistema, sebbene consentano di risolvere una serie di problemi pratici, soprattutto legati al mantenimento della sostenibilità degli ecosistemi. La piramide dei numeri consente, ad esempio, di calcolare la quantità consentita di cattura di pesci o di abbattimento di animali durante la stagione di caccia senza conseguenze sulla loro normale riproduzione.

3. Piramide dell'energia riflette la quantità di flusso di energia, la velocità di passaggio della massa alimentare attraverso la catena alimentare. La struttura della biocenosi è influenzata in misura maggiore non dalla quantità di energia fissa, ma dal tasso di produzione alimentare (Fig. 56).

È stato stabilito che la quantità massima di energia trasferita al livello trofico successivo può in alcuni casi essere pari al 30% del precedente, e questo è nel migliore dei casi. In molte biocenosi e catene alimentari, la quantità di energia trasferita può essere solo dell'1%.

Riso. 56. Piramide di energia (legge del 10% o 10:1),

(secondo Tsvetkova, 1999)

Nel 1942, l'ecologo americano R. Lindeman formulò legge della piramide delle energie (legge del 10%), secondo cui, in media, circa il 10% dell'energia ricevuta al livello precedente della piramide ecologica passa da un livello trofico attraverso le catene alimentari ad un altro livello trofico. Il resto dell'energia viene perso sotto forma di radiazione termica, movimento, ecc. Gli organismi, a seguito dei processi metabolici, perdono in ciascun anello della catena alimentare circa il 90% di tutta l'energia spesa per mantenere le loro funzioni vitali .

Se una lepre mangiasse 10 kg di materiale vegetale, il suo peso potrebbe aumentare di 1 kg. Una volpe o un lupo, mangiando 1 kg di carne di lepre, aumenta la sua massa di soli 100 g. piante legnose questa quota è molto più bassa a causa del fatto che il legno è scarsamente assorbito dagli organismi. Per erbe e alga marina questo valore è molto maggiore, poiché non hanno tessuti difficilmente digeribili. Tuttavia, lo schema generale del processo di trasferimento di energia rimane: molta meno energia passa attraverso i livelli trofici superiori che attraverso i livelli inferiori.

Questo è il motivo per cui le catene alimentari di solito non possono avere più di 3-5 (raramente 6) anelli e le piramidi ecologiche non possono essere costituite da un gran numero di piani. L'ultimo anello della catena alimentare, proprio come l'ultimo piano della piramide ecologica, riceverà così poca energia che non sarà sufficiente se il numero degli organismi aumentasse.

Le relazioni funzionali, cioè la struttura trofica, possono essere rappresentate graficamente, sotto forma dei cosiddetti piramidi ecologiche. La base della piramide è il livello dei produttori, mentre i successivi livelli di nutrizione formano i piani e la sommità della piramide. Esistono tre tipi principali di piramidi ecologiche: 1) piramide di numeri, che riflette il numero di organismi ad ogni livello (piramide di Elton); 2) piramide della biomassa, che caratterizza la massa della materia vivente: peso secco totale, contenuto calorico, ecc.; 3) piramide di prodotto(o energia), avente carattere universale, che mostra cambiamenti nella produzione primaria (o energia) a livelli trofici successivi.

La piramide dei numeri mostra uno schema chiaro scoperto da Elton: il numero di individui che compongono una serie sequenziale di collegamenti dai produttori ai consumatori è in costante diminuzione (Fig. 5.). Questo schema si basa, in primo luogo, sul fatto che per bilanciare la massa di un corpo grande sono necessari molti corpi piccoli; in secondo luogo, una certa quantità di energia viene persa dai livelli trofici inferiori a quelli superiori (solo il 10% dell’energia raggiunge il livello precedente da ciascun livello) e, in terzo luogo, esiste una relazione inversa tra metabolismo e dimensione degli individui (più piccolo è l’organismo, più intenso è il metabolismo, maggiore è il tasso di crescita del loro numero e della biomassa).

Riso. 5. Diagramma semplificato della piramide di Elton

Tuttavia, la forma delle piramidi della popolazione varia notevolmente nei diversi ecosistemi, quindi è meglio presentare i numeri in forma tabellare, ma la biomassa in forma grafica. Indica chiaramente la quantità di tutta la materia vivente a un dato livello trofico, ad esempio in unità di massa per unità di superficie - g/m2 o volume - g/m3, ecc.

Negli ecosistemi terrestri vale la seguente regola: piramidi di biomassa: la massa totale delle piante supera la massa di tutti gli erbivori e la loro massa supera l'intera biomassa dei predatori. Questa regola viene rispettata e la biomassa dell'intera catena cambia al variare del valore della produzione netta, il cui rapporto tra l'aumento annuo e la biomassa dell'ecosistema è piccolo e varia nelle foreste di diverse zone geografiche da 2 a 6 %. E solo nelle comunità vegetali dei prati può raggiungere il 40-55% e, in alcuni casi, nei semi-deserti - 70-75%. Nella fig. La Figura 6 mostra le piramidi di biomassa di alcune biocenosi. Come si può vedere dalla figura, per l'oceano la regola della piramide della biomassa di cui sopra non è valida: ha un aspetto invertito (invertito).

Riso. 6. Piramidi di biomassa di alcune biocenosi: P - produttori; RK - consumatori erbivori; PC - consumatori carnivori; F – fitoplancton; Z - zooplancton

L'ecosistema oceanico è caratterizzato da una tendenza della biomassa ad accumularsi ad alti livelli tra i predatori. I predatori vivono a lungo e il tasso di ricambio delle loro generazioni è basso, ma per i produttori - le alghe fitoplanctoniche - il tasso di ricambio può essere centinaia di volte superiore alla riserva di biomassa. Ciò significa che anche qui la loro produzione netta supera la produzione assorbita dai consumatori, cioè passa più energia attraverso il livello dei produttori che attraverso tutti i consumatori.

Quindi è chiaro che dovrebbe essere necessaria una riflessione ancora più perfetta dell'influenza delle relazioni trofiche sull'ecosistema essere la regola della piramide del prodotto (o dell’energia): ad ogni livello trofico precedente, la quantità di biomassa creata per unità di tempo (o energia) è maggiore rispetto a quella successiva.

Le catene trofiche o alimentari possono essere rappresentate sotto forma di piramide. Il valore numerico di ogni gradino di tale piramide può essere espresso dal numero di individui, dalla loro biomassa o dall'energia accumulata in essa.

Secondo la legge della piramide delle energie di R. Lindemann e la regola del dieci per cento, da ogni stadio circa il 10% (dal 7 al 17%) di energia o materia in termini energetici passa allo stadio successivo (Fig. 7). Si noti che ad ogni livello successivo, man mano che la quantità di energia diminuisce, la sua qualità aumenta, ad es. la capacità di compiere lavoro per unità di biomassa animale è un numero corrispondente di volte superiore alla stessa quantità di biomassa vegetale.

Un esempio lampante è la catena alimentare del mare aperto, rappresentata dal plancton e dalle balene. La massa di plancton è dispersa nell'acqua dell'oceano e, con una bioproduttività del mare aperto inferiore a 0,5 g/m 2 giorno -1, la quantità di energia potenziale in metro cubo L'acqua dell'oceano è infinitamente piccola rispetto all'energia di una balena, la cui massa può raggiungere diverse centinaia di tonnellate. Come sapete, l'olio di balena è un prodotto ipercalorico che veniva utilizzato anche per l'illuminazione.

In conformità con l'ultima figura è formulato regola dell'uno per cento: per la stabilità della biosfera nel suo insieme, la quota dei possibili consumi finali della produzione primaria netta in termini energetici non dovrebbe superare l'1%.

Fig.7. Piramide del trasferimento di energia lungo la catena alimentare (secondo Yu. Odum)

Una sequenza corrispondente si osserva anche nella distruzione della materia organica: circa il 90% dell'energia della produzione primaria pura viene rilasciata da microrganismi e funghi, meno del 10% dagli animali invertebrati e meno dell'1% dagli animali vertebrati, che sono gli organismi finali. consumatori.

In definitiva, tutte e tre le regole delle piramidi riflettono le relazioni energetiche nell'ecosistema e la piramide dei prodotti (energia) ha un carattere universale.

In natura, nei sistemi stabili, la biomassa cambia leggermente, cioè la natura tende ad utilizzare l'intera produzione lorda. La conoscenza dell'energia di un ecosistema e dei suoi indicatori quantitativi consente di tenere conto con precisione della possibilità di sottrarre una certa quantità di biomassa vegetale e animale dall'ecosistema naturale senza comprometterne la produttività.

L'uomo riceve molti prodotti dai sistemi naturali, tuttavia, la principale fonte di cibo per lui è agricoltura. Avendo creato agroecosistemi, una persona si sforza di ottenere quanti più prodotti vegetali puri possibile, ma ha bisogno di spendere metà della massa vegetale per nutrire erbivori, uccelli, ecc., Una parte significativa dei prodotti va all'industria e si perde nei rifiuti , cioè anche qui si perde: circa il 90% è produzione pura e solo il 10% circa viene utilizzato direttamente per il consumo umano.

Negli ecosistemi naturali, anche i flussi di energia cambiano in intensità e carattere, ma questo processo è regolato dall'azione di fattori ambientali, che si manifesta nella dinamica dell'ecosistema nel suo complesso.

Basandosi sulla catena alimentare come base per il funzionamento dell'ecosistema, è anche possibile spiegare casi di accumulo nei tessuti di alcune sostanze (ad esempio, veleni sintetici), che, muovendosi lungo la catena alimentare, non si partecipano al normale metabolismo degli organismi. Secondo regole del miglioramento biologico Passando ad una quantità maggiore, la concentrazione dell'inquinante aumenta di circa dieci volte alto livello piramide ecologica. In particolare, un aumento apparentemente insignificante del contenuto di radionuclidi nell'acqua del fiume al primo livello della catena trofica viene assimilato da microrganismi e plancton, quindi concentrato nei tessuti dei pesci e raggiunge valori massimi nei gabbiani. Le loro uova hanno un livello di radionuclidi 5000 volte superiore alla contaminazione di fondo.

Tipi di ecosistemi:

Esistono diverse classificazioni degli ecosistemi. Innanzitutto, gli ecosistemi sono divisi per natura di origine e si dividono in naturali (palude, prato) e artificiali (seminativo, giardino, astronave).

Per dimensione Gli ecosistemi si dividono in:

1. microecosistemi (ad esempio, il tronco di un albero caduto o una radura nella foresta)

2. mesoecosistemi (foresta o foresta steppa)

3. macroecosistemi (taiga, mare)

4. ecosistemi a livello globale (pianeta Terra)

L’energia è la base più conveniente per classificare gli ecosistemi. Esistono quattro tipi fondamentali di ecosistemi basati su tipo di fonte energetica:

guidato dal Sole, scarsamente sovvenzionato
guidato dal Sole, sovvenzionato da altre fonti naturali
guidato dal Sole e sovvenzionato dall’uomo
azionato dal carburante.

Nella maggior parte dei casi è possibile utilizzare due fonti di energia: il sole e il carburante.

Ecosistemi naturali guidati dal sole, poco sovvenzionati- questi sono oceani aperti, foreste di alta montagna. Tutti ricevono energia quasi esclusivamente da una fonte: il Sole e hanno una bassa produttività. Il consumo energetico annuo è stimato in circa 10 3 -10 4 kcal-m 2. Gli organismi che vivono in questi ecosistemi sono adattati alla scarsa quantità di energia e di altre risorse e le utilizzano in modo efficiente. Questi ecosistemi sono molto importanti per la biosfera, poiché occupano vaste aree. L'oceano copre circa il 70% della superficie del globo. In realtà, questi sono i principali sistemi di supporto vitale, meccanismi che stabilizzano e mantengono le condizioni sulla "astronave": la Terra. Qui ogni giorno vengono purificati enormi volumi di aria, l’acqua viene rimessa in circolazione, si formano le condizioni climatiche, la temperatura viene mantenuta e vengono eseguite altre funzioni di sostegno alla vita. Inoltre, alcuni alimenti e altri materiali vengono prodotti qui senza alcun intervento umano. Va detto anche dei valori estetici di questi ecosistemi che non possono essere presi in considerazione.

Ecosistemi naturali guidati dal Sole, sovvenzionati da altre fonti naturali, sono ecosistemi naturalmente fertili e producono materia organica in eccesso che può accumularsi. Ricevono sussidi energetici naturali sotto forma di energia dalle maree, dalle onde, dalle correnti provenienti dal bacino idrografico con pioggia e vento, organica e minerali ecc. Il consumo di energia in essi varia da 1*10 4 a 4*10 4 kcal*m -2 *anno -1. La parte costiera dell'estuario come la Baia della Neva - buon esempio ecosistemi più fertili rispetto alle aree adiacenti che ricevono la stessa quantità di energia solare. Una fertilità eccessiva può essere osservata anche nelle foreste pluviali.

Ecosistemi guidati dal sole e sovvenzionati dall’uomo, sono agroecosistemi terrestri e acquatici che ricevono energia non solo dal Sole, ma anche dall'uomo sotto forma di sussidi energetici. La loro elevata produttività è supportata dall'energia muscolare e dall'energia del carburante, che vengono spese nella coltivazione, irrigazione, fertilizzazione, selezione, lavorazione, trasporto, ecc. Pane, mais, patate sono “in parte fatti con olio”. L'agricoltura più produttiva riceve all'incirca la stessa quantità di energia degli ecosistemi naturali più produttivi del secondo tipo. La loro produzione raggiunge circa 50.000 kcal*m -2 anno -1 . La differenza tra loro è che l'uomo indirizza quanta più energia possibile alla produzione di un tipo limitato di cibo, mentre la natura la distribuisce tra molti tipi e accumula energia per una giornata piovosa, come se la mettesse in tasche diverse. Questa strategia è chiamata “strategia della diversità per la sopravvivenza”.

Ecosistemi industriali-urbani guidati dal carburante, è il coronamento dell'umanità. Nelle città industriali, l’energia dei combustibili altamente concentrati non è complementare, ma sostituisce energia solare. Il cibo, prodotto di sistemi guidati dal Sole, viene portato in città dall’esterno. Una caratteristica di questi ecosistemi è l'enorme domanda di energia delle aree urbane densamente popolate: è da due a tre ordini di grandezza maggiore rispetto ai primi tre tipi di ecosistemi. Se negli ecosistemi non sovvenzionati l'afflusso di energia varia da 10 3 a 10 4 kcal*m -2 anno -1 , e nei sistemi sovvenzionati del secondo e terzo tipo - da 10 4 a 4*10 4 kcal*m -2 anno -1 , poi nelle grandi città industriali, il consumo di energia raggiunge diversi milioni di kilocalorie per 1 m 2: New York -4,8 * 10 6, Tokyo - 3 * 10 6, Mosca - 10 6 kcal * m -2 anno -1.

Il consumo umano di energia in città è in media di oltre 80 milioni di kcal*anno -1 ; per l'alimentazione ha bisogno solo di circa 1 milione di kcal*anno -1, quindi per tutti gli altri tipi di attività (casa, trasporti, industria, ecc.) una persona spende 80 volte più energia di quella necessaria per il funzionamento fisiologico dell'organismo . Naturalmente, nei paesi in via di sviluppo la situazione è leggermente diversa.

Il concetto di livelli trofici

Livello troficoè un insieme di organismi che occupano una certa posizione nella catena alimentare complessiva. Allo stesso livello trofico appartengono gli organismi che ricevono la loro energia dal Sole attraverso lo stesso numero di passi.

Tale sequenza e subordinazione di gruppi di organismi collegati sotto forma di livelli trofici rappresenta il flusso di materia ed energia in un ecosistema, la base della sua organizzazione.

Struttura trofica dell'ecosistema

Come risultato della sequenza delle trasformazioni energetiche nelle catene alimentari, ogni comunità di organismi viventi nell'ecosistema ne acquisisce una certa struttura trofica. La struttura trofica di una comunità riflette il rapporto tra produttori, consumatori (separatamente del primo, secondo ordine, ecc.) e decompositori, espresso sia dal numero di individui di organismi viventi, sia dalla loro biomassa, sia dall'energia in essi contenuta, calcolato per unità di superficie per unità di tempo.

La struttura trofica è solitamente rappresentata come piramidi ecologiche. Questo modello grafico è stato sviluppato nel 1927 dallo zoologo americano Charles Elton. La base della piramide è il primo livello trofico - il livello dei produttori, e i piani successivi della piramide sono formati da livelli successivi - consumatori di vari ordini. L'altezza di tutti i blocchi è la stessa e la lunghezza è proporzionale al numero, alla biomassa o all'energia al livello corrispondente. Esistono tre modi per costruire piramidi ecologiche.

1. Piramide di numeri (abbondanza) riflette il numero di singoli organismi a ciascun livello. Ad esempio, per nutrire un lupo, ha bisogno di almeno diverse lepri da cacciare; Per nutrire queste lepri, hai bisogno di una varietà abbastanza grande di piante. A volte le piramidi di numeri possono essere invertite o capovolte. Questo vale per le catene alimentari forestali, dove gli alberi fungono da produttori e gli insetti da consumatori primari. In questo caso, il livello dei consumatori primari è numericamente più ricco del livello dei produttori (un gran numero di insetti si nutre di un albero).

2. Piramide di biomassa - il rapporto tra le masse di organismi di diversi livelli trofici. Di solito nelle biocenosi terrestri la massa totale dei produttori è maggiore di ogni collegamento successivo. A sua volta, la massa totale dei consumatori di primo ordine è maggiore di quella dei consumatori di secondo ordine, ecc. Se gli organismi non differiscono troppo in termini di dimensioni, il grafico di solito risulta in una piramide a gradini con la punta affusolata. Quindi, per produrre 1 kg di carne di manzo sono necessari 70-90 kg di erba fresca.

Negli ecosistemi acquatici si può anche ottenere una piramide di biomassa rovesciata, o rovesciata, quando la biomassa dei produttori è inferiore a quella dei consumatori, e talvolta dei decompositori. Ad esempio, nell'oceano, con una produttività sufficientemente elevata di fitoplancton, la sua massa totale in un dato momento può essere inferiore a quella dei consumatori (balene, pesci di grandi dimensioni, crostacei).

3. Piramide dell'Energia riflette la quantità di flusso di energia, la velocità di passaggio della massa alimentare attraverso la catena alimentare. La struttura della biocenosi è influenzata in misura maggiore non dalla quantità di energia fissa, ma dal tasso di produzione alimentare.

Nel 1942, l'ecologo americano R. Lindeman formulò legge della piramide delle energie (legge del 10%) , secondo cui, in media, circa il 10% dell'energia ricevuta al livello precedente della piramide ecologica passa da un livello trofico attraverso le catene alimentari ad un altro livello trofico. Il resto dell’energia viene disperso sotto forma di radiazione termica, movimento, ecc. Come risultato dei processi metabolici, gli organismi perdono circa il 90% di tutta l'energia in ciascun anello della catena alimentare, che viene spesa per mantenere le loro funzioni vitali.

Se una lepre mangiasse 10 kg di materiale vegetale, il suo peso potrebbe aumentare di 1 kg. Una volpe o un lupo, mangiando 1 kg di carne di lepre, aumenta la sua massa di soli 100 g Nelle piante legnose questa proporzione è molto inferiore a causa del fatto che il legno è scarsamente assorbito dagli organismi. Per le erbe e le alghe questo valore è molto maggiore, poiché non hanno tessuti difficili da digerire. Tuttavia, lo schema generale del processo di trasferimento di energia rimane: molta meno energia passa attraverso i livelli trofici superiori che attraverso quelli inferiori.

Questa affermazione può essere spiegata rintracciando dove viene spesa l’energia del cibo consumato: parte di essa va alla costruzione di nuove cellule, cioè crescita, parte dell'energia alimentare viene spesa nel metabolismo energetico o nella respirazione. Poiché la digeribilità del cibo non può essere completa, ad es. 100%, quindi parte del cibo non digerito sotto forma di escrementi viene rimosso dal corpo.

Considerando che l'energia spesa per la respirazione non viene trasferita al livello trofico successivo e lascia l'ecosistema, diventa chiaro il motivo per cui ogni livello successivo sarà sempre inferiore al precedente.

Questo è il motivo per cui i grandi animali predatori sono sempre rari. Pertanto, non esistono nemmeno predatori che si nutrono di lupi. In questo caso, semplicemente non avrebbero abbastanza cibo, poiché i lupi sono pochi.

La struttura trofica di un ecosistema si esprime in complesse relazioni alimentari tra le sue specie costituenti. Piramidi ecologiche numeri, biomassa ed energia, rappresentati sotto forma di modelli grafici, esprimono le relazioni quantitative degli organismi con diversi metodi di alimentazione: produttori, consumatori e decompositori.

PIRAMIDE DI NUMERI

LA PIRAMIDE DEI NUMERI è un modello grafico della distribuzione dei numeri della popolazione in catene trofiche, la cui base è sempre il primo livello, cioè il numero produttori, da cui, verso i livelli di consumo (primo, secondo, terzo, ecc.), la dimensione della popolazione diminuisce. In alcuni casi, le piramidi di numeri possono essere invertite. Quindi, in estate nella foresta ecosistemi Alle latitudini temperate, il numero degli individui vegetali è molto inferiore a quello dei consumatori, in particolare insetti e roditori.

Dizionario enciclopedico ecologico. - Chisinau: redazione principale dell'Enciclopedia Sovietica Moldava. I.I. Dedu. 1989.

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Libri

Formazione di concetti matematici nei bambini di 5-7 anni. Preparazione per la scuola. Standard educativi dello stato federale DO, . Il libro contiene un sistema di problemi per immagini, che mirano a sviluppare e consolidare nei bambini di età compresa tra 5 e 7 anni i concetti matematici iniziali e i concetti relativi alla cognizione...

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introduzione

2. Piramide ecologica

3. Tipi di piramidi ecologiche

Conclusione

Bibliografia

introduzione

Tutti gli organismi viventi che popolano il nostro pianeta non esistono da soli; dipendono dall'ambiente e ne sono influenzati. Questo complesso precisamente coordinato di molti fattori ambientali e l'adattamento degli organismi viventi ad essi determina la possibilità dell'esistenza di tutti i tipi di forme di organismi delle organizzazioni più diverse. L'ecologia, la scienza delle relazioni tra gli organismi viventi e le loro comunità con l'ambiente vivente e non vivente che li circonda, studia le condizioni di vita degli organismi nelle loro reciproche relazioni con l'ambiente.

Un insieme di diversi organismi e componenti non viventi dell'ambiente, strettamente interconnessi da flussi di materia ed energia, è chiamato ecosistema (da greco “oikos” - “dimora”, “ubicazione” e “sistema” - “combinazione”, “unificazione”). Esempi di ecosistemi possono essere un lago, una foresta, una sezione di steppa, un singolo ceppo in decomposizione e persino il contenuto dello stomaco dei ruminanti. Quando li studiano, gli scienziati pongono l'accento sui processi di trasformazione della materia e dell'energia e non stabiliscono semplicemente la presenza di alcuni organismi o scoprono le caratteristiche dei cambiamenti nel loro numero. Se gli ecologisti si occupano solo della totalità delle popolazioni conviventi di specie diverse, allora usano termini come Comunità, O biocenosi (da greco “bios” - “vita” e “koi-nos” - “generale”).

Questo termine fu usato per la prima volta dallo zoologo tedesco Ernst Haeckel nel 1886, definendo l'ecologia come un campo della conoscenza che studia l'economia della natura, lo studio delle relazioni generali degli animali sia con gli esseri viventi che con natura inanimata, che comprende tutti, sia amichevoli che ostili, con cui animali e piante entrano in contatto diretto o indiretto. Questa comprensione dell'ecologia è diventata generalmente accettata e oggi l'ecologia classica è la scienza che studia le relazioni degli organismi viventi con il loro ambiente.

1. Catene alimentari e piramidi ecologiche

All'interno di un sistema ecologico, la materia organica è creata da organismi autotrofi (come le piante). Le piante vengono mangiate dagli animali, che a loro volta vengono mangiati da altri animali. Questa sequenza è chiamata catena alimentare; ogni anello della catena alimentare è chiamato livello trofico (dal greco trophos “cibo”) (Fig. 1)

Fig. 1. Flusso di energia attraverso una tipica catena alimentare.

Gli organismi del primo livello trofico sono detti produttori primari. Sulla terra la maggior parte dei produttori sono piante di boschi e prati; nell'acqua si tratta principalmente di alghe verdi. Inoltre, le alghe blu-verdi e alcuni batteri possono produrre sostanze organiche.

Esiste un altro gruppo di organismi chiamati decompositori. Si tratta di saprofiti (solitamente batteri e funghi) che si nutrono dei resti organici di piante e animali morti (detriti). Gli animali - detritivori - possono nutrirsi anche di detriti, accelerando il processo di decomposizione dei resti. I detritivori, a loro volta, possono essere mangiati dai predatori. A differenza delle catene alimentari legate al pascolo, che iniziano con i produttori primari (cioè la materia organica vivente), le catene alimentari detritiche iniziano con i detriti (cioè la materia organica morta).

Nei diagrammi della catena alimentare, ogni organismo è rappresentato mentre si nutre di un tipo specifico di organismo. La realtà è molto più complessa e gli organismi (soprattutto i predatori) possono nutrirsi di un’ampia varietà di organismi, anche provenienti da catene alimentari diverse. Pertanto, le catene alimentari si intrecciano per formare reti alimentari.

Le reti alimentari servono come base per la costruzione di piramidi ecologiche. Le più semplici sono le piramidi della popolazione, che riflettono il numero di organismi (individui) a ciascun livello trofico. Per comodità di analisi, queste quantità sono visualizzate mediante rettangoli, la cui lunghezza è proporzionale al numero di organismi che vivono nell'ecosistema studiato, o al logaritmo di questa quantità. Spesso le piramidi della popolazione sono costruite per unità di area (negli ecosistemi terrestri) o di volume (negli ecosistemi acquatici).

2. Piramide ecologica

Una piramide ecologica è un modo per rappresentare graficamente la relazione tra i diversi livelli trofici in un ecosistema.

Possono essere di tre tipi:

1) piramide della popolazione: mostra il numero di organismi a ciascun livello trofico;

2) Piramide della biomassa: riflette la biomassa di ciascun livello trofico;

3) Piramide Energetica - mostra la quantità di energia che è passata attraverso ciascun livello trofico in un certo periodo di tempo

La progressiva diminuzione dell'energia assimilata in numerosi livelli trofici si riflette nella struttura delle piramidi ecologiche.

Una diminuzione della quantità di energia disponibile ad ogni successivo livello trofico è accompagnata da una diminuzione della biomassa e del numero di individui. Le piramidi di biomassa e il numero di organismi per una data biocenosi ripetono in termini generali la configurazione della piramide della produttività.

È necessario distinguere quantitativamente tra produttività, cioè la crescita annua della vegetazione, e biomassa. La differenza tra la produzione primaria della biocenosi e la biomassa determina l'entità del pascolo della massa vegetale. Anche per le comunità con predominanza di forme erbacee, in cui il tasso di riproduzione della biomassa è piuttosto elevato, gli animali utilizzano fino al 70% della crescita annuale delle piante.

Tutte e tre le regole della piramide - produttività, biomassa e abbondanza - esprimono le relazioni energetiche negli ecosistemi. Allo stesso tempo, la piramide della produttività ha un carattere universale e le piramidi della biomassa e dell'abbondanza compaiono nelle comunità con una certa struttura trofica.

3. Tipi di piramidi ecologiche

3.1 Piramidi di numeri: ad ogni livello viene tracciato il numero dei singoli organismi

La piramide dei numeri mostra uno schema chiaro scoperto da Elton: il numero di individui che costituiscono una serie sequenziale di collegamenti dai produttori ai consumatori è in costante diminuzione (Fig. 2). Piramide ecologica dell'ambiente dell'organismo

Ad esempio, per nutrire un lupo, ha bisogno di almeno diverse lepri da cacciare; Per nutrire queste lepri, hai bisogno di una varietà abbastanza grande di piante. In questo caso, la piramide sembrerà un triangolo con un'ampia base che si assottiglia verso l'alto.

Tuttavia, questa forma di piramide numerica non è tipica di tutti gli ecosistemi. A volte possono essere invertiti o capovolti. Questo vale per le catene alimentari forestali, dove gli alberi fungono da produttori e gli insetti da consumatori primari. In questo caso, il livello dei consumatori primari è numericamente più ricco del livello dei produttori (un gran numero di insetti si nutrono di un albero), quindi le piramidi di numeri sono le meno informative e meno indicative, cioè il numero di organismi dello stesso livello trofico dipende in gran parte dalle loro dimensioni

Piramidi di biomassa - caratterizza la massa totale secca o umida degli organismi a un dato livello trofico, ad esempio, in unità di massa per unità di area - g/m2, kg/ha, t/km2 o per volume - g/m3 (Fig. 3)

Riso. 2. Piramide ecologica semplificata dei numeri

Di solito nelle biocenosi terrestri la massa totale dei produttori è maggiore di ogni collegamento successivo. A sua volta, la massa totale dei consumatori di primo ordine è maggiore di quella dei consumatori di secondo ordine, ecc.

In questo caso (se gli organismi non differiscono troppo in dimensioni) la piramide avrà anche l'aspetto di un triangolo a base larga rastremata verso l'alto. Tuttavia, ci sono eccezioni significative a questa regola. Ad esempio, nei mari, la biomassa dello zooplancton erbivoro è significativamente (a volte 2-3 volte) maggiore della biomassa del fitoplancton, rappresentato principalmente da alghe unicellulari. Ciò si spiega con il fatto che le alghe vengono mangiate molto rapidamente dallo zooplancton, ma sono protette dall'essere completamente divorate da molto ad alta velocità le loro divisioni cellulari.

In generale, le biogeocenosi terrestri, dove i produttori sono grandi e vivono relativamente a lungo, sono caratterizzate da piramidi relativamente stabili con una base ampia. Negli ecosistemi acquatici, dove i produttori sono di piccole dimensioni e hanno breve durata cicli vitali, la piramide di biomassa può essere invertita o invertita (con la punta rivolta verso il basso). Pertanto, nei laghi e nei mari, la massa delle piante supera la massa dei consumatori solo durante il periodo della fioritura (primavera), mentre nel resto dell'anno può verificarsi la situazione opposta.

Le piramidi di numeri e biomassa riflettono la statica del sistema, cioè caratterizzano il numero o la biomassa degli organismi in un certo periodo di tempo. Non forniscono informazioni complete sulla struttura trofica di un ecosistema, sebbene consentano di risolvere una serie di problemi pratici, soprattutto legati al mantenimento della sostenibilità degli ecosistemi.

La piramide dei numeri consente, ad esempio, di calcolare la quantità consentita di cattura di pesci o di abbattimento di animali durante la stagione di caccia senza conseguenze sulla loro normale riproduzione.

Fig.3. Piramide ecologica della biomassa.

3.2 Piramidi energetiche: mostra la quantità di flusso energetico o produttività a livelli successivi

In contrasto con le piramidi dei numeri e della biomassa, che riflettono la statica del sistema (il numero di organismi in un dato momento), la piramide dell'energia, riflette l'immagine della velocità di passaggio della massa alimentare (quantità di energia) attraverso ciascun livello trofico della catena alimentare, fornisce il quadro più completo dell'organizzazione funzionale delle comunità.

La forma di questa piramide non è influenzata dai cambiamenti nelle dimensioni e nel tasso metabolico degli individui e, se si prendono in considerazione tutte le fonti energetiche, la piramide avrà sempre un aspetto tipico con una base ampia e un apice affusolato. Quando si costruisce una piramide di energia, spesso viene aggiunto un rettangolo alla sua base per mostrare l'afflusso di energia solare.

Nel 1942, l'ecologo americano R. Lindeman formulò la legge della piramide energetica (la legge del 10%), secondo la quale, in media, circa il 10% dell'energia ricevuta al livello precedente della piramide ecologica passa da un trofico livello attraverso le catene alimentari ad un altro livello trofico. Il resto dell’energia viene disperso sotto forma di radiazione termica, movimento, ecc. Come risultato dei processi metabolici, gli organismi perdono circa il 90% di tutta l'energia in ciascun anello della catena alimentare, che viene spesa per mantenere le loro funzioni vitali.

Consideriamo la trasformazione dell'energia in un ecosistema utilizzando l'esempio di una semplice catena trofica di pascolo, in cui sono presenti solo tre livelli trofici.

1. livello - piante erbacee,

2. livello: mammiferi erbivori, ad esempio le lepri

3. livello: mammiferi predatori, ad esempio le volpi

I nutrienti vengono creati durante la fotosintesi dalle piante, che sono costituite da sostanze inorganiche (acqua, diossido di carbonio, sali minerali, ecc.) utilizzando l'energia della luce solare formano sostanze organiche e ossigeno, oltre ad ATP. Parte dell'energia elettromagnetica della radiazione solare viene convertita nell'energia dei legami chimici delle sostanze organiche sintetizzate.

Tutta la materia organica creata durante la fotosintesi è chiamata produzione primaria lorda (GPP). Parte dell'energia della produzione primaria lorda viene spesa nella respirazione, determinando la formazione della produzione primaria netta (NPP), che è proprio la sostanza che entra nel secondo livello trofico e viene utilizzata dalle lepri.

Lascia che la pista sia di 200 unità convenzionali di energia e che i costi delle piante per la respirazione (R) siano del 50%, ad es. 100 unità convenzionali di energia. Quindi la produzione primaria netta sarà uguale a: NPP = WPP - R (100 = 200 - 100), cioè Al secondo livello trofico, le lepri riceveranno 100 unità convenzionali di energia.

Tuttavia, per vari motivi, le lepri sono in grado di consumare solo una certa quota della centrale nucleare (altrimenti le risorse per lo sviluppo della materia vivente scomparirebbero), mentre una parte significativa di essa è sotto forma di resti organici morti (parti sotterranee di piante , legno duro di fusti, rami, ecc.) non può essere mangiato dalle lepri. Entra nelle catene alimentari detritiche e/o viene decomposto dai decompositori (F). L'altra parte va alla costruzione di nuove cellule (dimensione della popolazione, crescita delle lepri - P) e alla garanzia del metabolismo energetico o della respirazione (R).

In questo caso, secondo l'approccio del bilancio, l'uguaglianza del bilancio del consumo di energia (C) sarà simile a questa: C = P + R + F, cioè L'energia ricevuta al secondo livello trofico verrà spesa, secondo la legge di Lindemann, per la crescita della popolazione - P - 10%, il restante 90% sarà speso per la respirazione e l'eliminazione del cibo non digerito.

Pertanto, negli ecosistemi, con un aumento del livello trofico, si verifica una rapida diminuzione dell'energia accumulata nei corpi degli organismi viventi. Da qui è chiaro perché ogni livello successivo sarà sempre inferiore al precedente e perché le catene alimentari solitamente non possono avere più di 3-5 (raramente 6) anelli, e le piramidi ecologiche non possono essere costituite da un gran numero di piani: al piano finale L'anello della catena alimentare è lo stesso in quanto l'ultimo piano della piramide ecologica riceverà così poca energia che non sarà sufficiente se il numero degli organismi aumenta.

Tale sequenza e subordinazione di gruppi di organismi collegati sotto forma di livelli trofici rappresenta i flussi di materia ed energia nella biogeocenosi, la base della sua organizzazione funzionale.

Fig.4. piramide energetica ecologica

La regola della piramide ecologica riflette il seguente schema: ad ogni livello trofico precedente, la quantità di biomassa ed energia immagazzinata dagli organismi per unità di tempo è significativamente maggiore rispetto a quelli successivi. Graficamente questa regola può essere rappresentata come una piramide composta da singoli blocchi. Ciascuno di questi blocchi corrisponde alla produttività degli organismi al corrispondente livello trofico della catena alimentare. A seconda dell'indicatore utilizzato come base, si distinguono tipi diversi piramidi ecologiche.

La piramide della biomassa (30.4) riflette i modelli quantitativi di trasferimento della massa di materia organica da un livello trofico della catena alimentare a un altro (la produttività degli organismi è espressa in unità di massa di sostanza secca). Pertanto, la piramide della biomassa dimostra il modello secondo cui i consumatori immagazzinano 5-10 volte meno biomassa rispetto alla biomassa che consumano i produttori. E così via: ad ogni anello successivo della catena alimentare, la biomassa immagazzinata dagli organismi di più alto livello trofico diminuisce di 5-10 volte rispetto a quella che consumano.

I corrispondenti modelli di trasferimento di energia da un anello della catena energetica all'altro sono dimostrati dalla piramide energetica. Ogni blocco corrisponde alla quantità di energia chimica immagazzinata nel corrispondente livello trofico. Mostra che la maggior parte dell'energia quando viene trasferita da un livello trofico inferiore a uno superiore viene consumata sotto forma di calore e solo il 10-20% viene immagazzinato rispetto al precedente.

La piramide dei numeri riflette il rapporto tra il numero di individui a ciascuno dei livelli trofici della catena alimentare. Il numero di individui che partecipano alla catena alimentare solitamente diminuisce ad ogni successivo livello trofico: ad esempio, i predatori sono più grandi e quindi minori in numero rispetto alle prede. Ma in alcuni casi si osserva il fenomeno opposto, quando il numero di individui al livello trofico precedente è inferiore a quello successivo. Pertanto, un branco di lupi può cacciare grandi prede (ad esempio alci) e decine, centinaia e persino migliaia di individui di insetti erbivori e simili possono nutrirsi di un albero. Pertanto, a differenza delle piramidi della biomassa e dell’energia, in alcuni casi la base della piramide dei numeri può essere stretta oltre la sommità.

Le catene alimentari sono catene stabili di specie interconnesse che estraggono sequenzialmente materiali ed energia dalla sostanza alimentare originale che si sono sviluppati durante l'evoluzione degli organismi viventi e della biosfera nel suo insieme. Costituiscono la struttura trofica di ogni biocenosi, attraverso la quale si effettuano i trasferimenti di energia e i cicli delle sostanze. Una catena alimentare è costituita da una serie di livelli trofici, la cui sequenza corrisponde al flusso di energia.

La fonte primaria di energia nei circuiti di alimentazione è l'energia solare. Il primo livello trofico - produttori (piante verdi) - utilizza l'energia solare nel processo di fotosintesi, creando la produzione primaria di qualsiasi biocenosi. Tuttavia, solo lo 0,1% dell’energia solare viene utilizzata nel processo di fotosintesi. L'efficienza con cui le piante verdi assimilano l'energia solare è valutata dal valore della produttività primaria. Più della metà dell'energia associata alla fotosintesi viene immediatamente consumata dalle piante durante la respirazione; il resto dell'energia viene trasferito ulteriormente lungo le catene alimentari.

In questo caso, esiste un modello importante associato all'efficienza dell'uso e della conversione dell'energia nel processo nutrizionale. La sua essenza è la seguente: la quantità di energia spesa per mantenere le proprie funzioni vitali nella catena alimentare aumenta da un livello trofico all'altro e la produttività diminuisce.

La fitobiomassa viene utilizzata come fonte di energia e materiale per creare biomassa di organismi del secondo livello trofico dei consumatori di primo ordine: gli erbivori. Tipicamente, la produttività del secondo livello trofico non è superiore al 5-20% (10%) del livello precedente. Ciò si riflette nel rapporto tra biomassa vegetale e animale sul pianeta. La quantità di energia necessaria per garantire le funzioni vitali dell'organismo cresce con l'aumento del livello di organizzazione morfofunzionale. Di conseguenza, la quantità di biomassa creata a livelli trofici più elevati diminuisce.

Gli ecosistemi sono molto variabili nei tassi relativi di creazione e consumo sia della produzione primaria netta che della produzione secondaria netta a ciascun livello trofico. Tuttavia, tutti gli ecosistemi, senza eccezioni, sono caratterizzati da determinati rapporti tra produzione primaria e secondaria. La quantità di materia vegetale che funge da base della catena alimentare è sempre molte volte (circa 10 volte) maggiore della massa totale degli animali erbivori e la massa di ciascun anello successivo della catena alimentare cambia proporzionalmente di conseguenza.

La progressiva diminuzione dell'energia assimilata in numerosi livelli trofici si riflette nella struttura delle piramidi ecologiche. Una diminuzione della quantità di energia disponibile ad ogni successivo livello trofico è accompagnata da una diminuzione della biomassa e del numero di individui. Le piramidi di biomassa e il numero di organismi per una data biocenosi ripetono in termini generali la configurazione della piramide della produttività.

Graficamente, la piramide ecologica è rappresentata come diversi rettangoli della stessa altezza ma di diversa lunghezza. La lunghezza del rettangolo diminuisce dal basso verso l'alto, corrispondente ad una diminuzione della produttività ai successivi livelli trofici. Il triangolo inferiore è il più grande in lunghezza e corrisponde al primo livello trofico - produttori, il secondo è circa 10 volte più piccolo e corrisponde al secondo livello trofico - erbivori, consumatori di primo ordine, ecc.

Il tasso di creazione della materia organica non determina le sue riserve totali, vale a dire la massa totale degli organismi a ciascun livello trofico. La biomassa disponibile di produttori e consumatori in specifici ecosistemi dipende dal rapporto tra i tassi di accumulo di materia organica ad un certo livello trofico e il suo trasferimento ad un livello superiore, cioè. Quanto è grave il consumo delle riserve formate? Un ruolo importante qui è giocato dalla velocità di riproduzione delle principali generazioni di produttori e consumatori.

Nella maggior parte degli ecosistemi terrestri, come già accennato, vale anche la regola della biomassa, cioè la massa totale delle piante risulta essere maggiore della biomassa di tutti gli erbivori e la massa degli erbivori supera la massa di tutti i predatori. È necessario distinguere quantitativamente tra produttività, cioè la crescita annua della vegetazione, e biomassa. La differenza tra la produzione primaria della biocenosi e la biomassa determina l'entità del pascolo della massa vegetale. Anche per le comunità con predominanza di forme erbacee, in cui il tasso di riproduzione della biomassa è piuttosto elevato, gli animali utilizzano fino al 70% della crescita annuale delle piante.

In quelle catene trofiche in cui il trasferimento di energia avviene attraverso connessioni “predatore-preda”, si osservano spesso piramidi nel numero di individui: il numero totale di individui che partecipano alla catena alimentare diminuisce con ciascun collegamento. Ciò è dovuto anche al fatto che i predatori sono generalmente più grandi delle loro prede. Un'eccezione alle regole della piramide della popolazione è quando i piccoli predatori vivono in gruppo cacciando animali di grandi dimensioni. Tutte e tre le regole della piramide - produttività, biomassa e abbondanza - esprimono le relazioni energetiche negli ecosistemi. Allo stesso tempo, la piramide della produttività ha un carattere universale e le piramidi della biomassa e dell'abbondanza compaiono nelle comunità con una certa struttura trofica.

La conoscenza delle leggi della produttività dell’ecosistema e la capacità di quantificare il flusso di energia sono di grande importanza pratica. La produzione primaria delle agrocenosi e lo sfruttamento umano delle comunità naturali sono la principale fonte di cibo per l'uomo. Importanti come fonte di proteine animali sono anche i prodotti secondari delle biocenosi ottenuti da animali industriali e da allevamento. La conoscenza delle leggi della distribuzione dell'energia, dei flussi di energia e materia nelle biocenosi, dei modelli di produttività vegetale e animale, la comprensione dei limiti della rimozione ammissibile della biomassa vegetale e animale dai sistemi naturali ci consente di costruire correttamente relazioni nella “società - natura "sistema.

Conclusione

Ogni organismo vive circondato da molti altri organismi, entra con loro in un'ampia varietà di relazioni, con conseguenze sia negative che positive per se stesso e, alla fine, non può esistere senza questo ambiente di vita. Comunicazione con altri organismi condizione necessaria l'alimentazione e la riproduzione, la possibilità di protezione, l'attenuazione delle condizioni ambientali sfavorevoli, e dall'altro il pericolo di un danno e spesso anche di una minaccia diretta all'esistenza dell'individuo.

L’intera somma delle influenze che gli esseri viventi esercitano gli uni sugli altri è riunita sotto il nome di “fattori ambientali biotici”. La generalizzazione più importante dell'ecologia è il concetto di sistema ecologico (ecosistema), che comprende un gruppo di organismi viventi interconnessi e quegli elementi dell'ambiente esterno che hanno la più forte influenza su di loro e se stessi, in un modo o nell'altro, dipendono da le attività degli organismi.

Con un approccio ecosistemico allo studio dell'ecologia, l'attenzione degli scienziati è il flusso di energia e il ciclo delle sostanze tra le componenti biotiche e abiotiche della biosfera. L'approccio ecosistemico evidenzia la comunanza di organizzazione di tutte le comunità, indipendentemente dagli habitat e dalla posizione sistematica degli organismi in esse inclusi. Allo stesso tempo, nell’approccio ecosistemico viene applicato il concetto di omeostasi, da cui risulta chiaro che l’interruzione dei meccanismi di regolazione, ad esempio a causa dell’inquinamento ambientale, può portare a uno squilibrio biologico.

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