§ 39. Екосистеми. Агроценози. Трофічні ланцюги. Екологічні піраміди

• До змісту відповідей

ПОМІРКУЙТЕ Й ОБГОВОРІТЬ СИТУАЦІЮ

Екологія є наукою, що вивчає системи надорганізмового рівня. Але такі системи дуже різноманітні за своєю структурою. Популяція антилоп, вид Ковила дніпровська, біоценоз озера Синевир, екосистема коралового рифу, тропічний дощовий ліс, пустеля, поле пшениці, яблуневий сад, біосфера Землі — усі ці системи є системами надорганізмового рівня. Запропонуйте способи, завдяки яким їх можна класифікувати, вивчати, порівнювати.

Ці системи можна класифікувати за такими ознаками:

1. За рівнем організації живого: популяційно-видовий (популяція антилоп, вид Ковила дніпровська), біоценотичний (біоценоз озера Синевир), екосистемний (кораловий риф), біомний (тропічний ліс, пустеля) та біосферний (біосфера Землі).
2. За походженням: природні (озеро, риф, ліс, пустеля) та штучні або створені людиною (поле пшениці, яблуневий сад).
3. За середовищем існування: наземні (пустеля, сад, степ) та водні (озеро Синевир, кораловий риф).

Для їхнього вивчення й порівняння застосовують прямі спостереження, моніторинг чисельності видів, підрахунок біомаси, порівняльний аналіз трофічних мереж та комп’ютерне моделювання екологічних процесів.

РОБОТА В ПАРІ

Розгляньте карту «Біоми Землі». На яких континентах є бореальний ліс?

Бореальний ліс (тайга) розташований на двох континентах північної півкулі: у Північній Америці та Євразії.

Який клімат притаманний цим територіям?

Цим територіям притаманний субарктичний та помірний різко континентальний клімат із тривалою холодною сніжною зимою й коротким помірно теплим літом.

На якому континенті розташована найбільша пустеля?

Найбільша спекотна пустеля світу (Сахара) розташована в Африці, а найбільша за площею полярна крижана пустеля вкриває Антарктиду.

Про що свідчить різноманітність біомів Землі?

Вона свідчить про кліматичну зональність планети (залежність від розподілу тепла й вологи від екватора до полюсів) та здатність живих організмів пристосовуватися до різних умов довкілля.

Яка неточність допущена на цій карті щодо екосистем України?

На карті вся територія України помилково зафарбована як помірний ліс, без виділення природної зони степу.

Визначте, які біоми є на території нашої держави. Назвіть характерні види рослин і тварин для кожного.

На території України представлені два основні біоми:

1. Помірний ліс (мішані та широколисті ліси Полісся, Карпат і Лісостепу): рослини — дуб звичайний, граб, бук, сосна, конвалія; тварини — козуля, лось, олень благородний, вивірка, дятел, рись.
2. Степ (південна та східна частини України): рослини — ковила, типчак, тонконіг, полин; тварини — бабак, ховрах, сліпак, сіра куріпка, степовий гадюка, дрохва.

ЗАВДАННЯ

Дізнайтесь, як відбувається сукцесія на території колишнього Каховського водосховища. Які організми були першими колонізаторами (первинними видами) та як вони змінили умови для інших видів?

Першими колонізаторами обмілілого дна водосховища стали верба біла, тополя чорна, прибережно-водні трави та лучні бур’яни, насіння яких масово принесло вітром і водою на вологий мул. Завдяки потужній кореневій системі молоді дерева закріпили мулисте дно, зупинили вітрову ерозію та пилові бурі, а їхній густий затінок зберіг вологу й створив умови для оселення лісових комах, птахів, дрібних гризунів і хижих ссавців.

Складіть схему послідовності змін рослинності та тваринного світу.

Послідовність сукцесії на осушеному дні:

РОБОТА В ПАРІ

Жирафи, слони, антилопи й зебри — рослиноїдні копитні африканських саван. Як вони уникають конкуренції за їжу?

Вони не конкурують між собою, бо розмежовують екологічні ніші за ярусами рослинності та видами кормів:

1. Жирафи споживають листя та молоді гілки з верхівок акацій, куди інші тварини не дотягуються.
2. Слони живляться корою, товстими гілками та кронами чагарників, ламаючи їх своєю силою.
3. Зебри живляться верхівками високих і грубих трав, підстригаючи їх першими.
4. Антилопи випасаються після зебр і споживають нижній, соковитий ярус приземної трави та пагонів.

Розгляньте світлини, на яких зображені агроценоз і природний луг із польовими квітами. Яку відмінність між агроценозом і природною екосистемою ви бачите?

На світлині агроценозу поле засіяне однією культурою (монокультурою) з чіткими межами, штучним доглядом і бідним різноманіттям, тоді як на природному лузі росте багато різних видів квітів і трав, які утворюють багатоярусне стійке співтовариство.

Укладіть про це порівняльну таблицю.

ПОШУК, ОЦІНЮВАННЯ, СИСТЕМАТИЗАЦІЯ ТА ПРЕЗЕНТАЦІЯ ІНФОРМАЦІЇ

Як взаємопов’язана різноманітність взаємозв’язків між популяціями різних видів зі стійкістю та саморегуляцією екосистем?

Чим більше видів і взаємозв’язків між ними існує в екосистемі, тим вона стійкіша. Розгалужена трофічна сітка забезпечує взаємозамінність: якщо зникає один вид здобичі, хижаки просто перемикаються на інший, тому вся екосистема продовжує стабільно функціонувати. Завдяки взаємному регулюванню (хижацтву, конкуренції, паразитизму) спалахи чисельності одних організмів швидко стримуються іншими, що гарантує надійну саморегуляцію біоценозу.

ЗАВДАННЯ

Чиста первинна продуктивність (приріст живої біомаси внаслідок використання сонячної енергії) на ділянці листопадного лісу склала 12 т/га за рік за акумуляції 0,06 % сонячної енергії. Яка частина енергії Сонця використовується в болотяних екосистемах, де приріст біомаси становить 20 т/га за рік? (Інтенсивність випромінювання вважати однаковою.)

Дано:
$\text{П}_1 = 12\text{ т/га за рік}$ (продуктивність лісу)
$\text{Е}_1 = 0{,}06\,\%$ (частка енергії, акумульована лісом)
$\text{П}_2 = 20\text{ т/га за рік}$ (продуктивність болота)
$\text{Е}_2 - ?$

Розв’язання:
Оскільки інтенсивність сонячного випромінювання однакова, приріст біомаси прямо пропорційний кількості акумульованої енергії Сонця:

$\frac{\text{П}_1}{\text{Е}_1} = \frac{\text{П}_2}{\text{Е}_2}$

$\text{Е}_2 = \frac{\text{П}_2 \times \text{Е}_1}{\text{П}_1} = \frac{20 \times 0{,}06\,\%}{12} = \frac{1{,}2\,\%}{12} = 0{,}1\,\%$

Відповідь: 0,1 % сонячної енергії використовується в болотяних екосистемах.

РОБОТА В ГРУПІ

Розгляньте харчову мережу. Визначте продуцентів, консументів і редуцентів. Поясніть, на якому трофічному рівні перебуває кожна з груп організмів, які входять до цієї мережі.

Продуценти: акація та трава роду цинодон. Вони належать до першого трофічного рівня (автотрофи), оскільки утворюють первинну органічну речовину в процесі фотосинтезу.

Первинні консументи (консументи І порядку): терміт, жираф, газель, мандрил, зебра та антилопа гну. Вони утворюють другий трофічний рівень, споживаючи рослинну їжу (листя, гілки, траву).

Вторинні консументи (консументи ІІ порядку): лев, гепард і дикий собака. Вони формують третій трофічний рівень, полюючи на рослиноїдних тварин савани.

Редуценти (бактерії, ґрунтові гриби, личинки жуків-мертвоїдів): на малюнку мережі вони не позначені окремим рівнем, оскільки не займають фіксованого поверху. Редуценти замикають біологічний колообіг, розкладаючи рештки рослин і трупи тварин з усіх трофічних рівнів до неорганічних сполук.

ЗАВДАННЯ

Яка кількість левів може прогодуватися на ділянці території савани, на якій за рік утворюється 75 000 кг біомаси, якщо маса одного лева становить 150 кг, лев живиться антилопами, які, своєю чергою, споживають траву?

Дано:
$\text{m}(\text{трави}) = 75\,000\text{ кг}$
$\text{m}(\text{одного лева}) = 150\text{ кг}$
$N(\text{левів}) - ?$

Розв’язання:
Трофічний ланцюг має вигляд: трава $\to$ антилопа $\to$ лев.
За правилом екологічної піраміди на кожен наступний трофічний рівень переходить близько 10 % біомаси попереднього:

1. Розраховуємо біомасу рослиноїдних (антилоп):
   $75\,000\text{ кг} \times 0{,}1 = 7\,500\text{ кг}$.
2. Розраховуємо можливу біомасу хижаків (левів):
   $7\,500\text{ кг} \times 0{,}1 = 750\text{ кг}$.
3. Обчислюємо кількість особин левів:
   $750\text{ кг} : 150\text{ кг/особину} = 5\text{ особин}$.

Відповідь: на цій ділянці території савани може прогодуватися 5 левів.

ВІДКРИТИЙ МІКРОФОН

Чому хижаків у біоценозах завжди менше, ніж рослиноїдних тварин?

Причина полягає у правилі екологічної піраміди енергії: під час переходу з одного трофічного рівня на наступний приблизно 90 % енергії розсіюється у вигляді тепла та витрачається на процеси дихання і руху. До хижаків доходить лише близько 10 % тієї енергії, яку запасли рослиноїдні тварини. Через такий енергетичний дефіцит кормова база просто не здатна прогодувати велику кількість хижаків на вершині піраміди.

ЗАВДАННЯ

1. На основі правила екологічної піраміди визначте, скільки потрібно планктону, щоб у морі виросла одна особина морської видри масою 30 кг, якщо ланцюг харчування має такий вигляд: фітопланктон, нехижі риби, хижі риби, морська видра.

Дано:

• Маса морської видри = $30\text{ кг}$
• Ланцюг живлення: фітопланктон $\to$ нехижі риби $\to$ хижі риби $\to$ морська видра
• Правило екологічної піраміди: на кожен наступний трофічний рівень переходить близько $10\%$ біомаси попереднього.

Розв’язання:

1. Розраховуємо масу хижих риб, необхідну для живлення морської видри:
   $30\text{ кг} \times 10 = 300\text{ кг}$
2. Розраховуємо масу нехижих риб, необхідну для живлення хижих риб:
   $300\text{ кг} \times 10 = 3\ 000\text{ кг}$
3. Розраховуємо масу фітопланктону, необхідну для живлення нехижих риб:
   $3\ 000\text{ кг} \times 10 = 30\ 000\text{ кг}\ (30\text{ т})$

Відповідь: потрібно $30\ 000\text{ кг}$ (або $30\text{ т}$) фітопланктону.

2. Яка кількість мартинів може прогодуватися на ділянці акваторії моря, на якій упродовж року утворюється 1200 кг сухої маси фітопланктону? Маса чайки становить 1 кг (суха речовина — 40 %), чайка живиться рибою, а риба — фітопланктоном.

Дано:

• Продукція фітопланктону (суха маса) = $1\ 200\text{ кг}$
• Маса одного мартина (чайки) = $1\text{ кг}$
• Частка сухої речовини в тілі мартина = $40\%$
• Ланцюг живлення: фітопланктон $\to$ риба $\to$ мартин

Розв’язання:

1. За правилом екологічної піраміди ($10\%$) визначаємо суху біомасу риби:
   $1\ 200\text{ кг} \times 0{,}1 = 120\text{ кг}$
2. Визначаємо суху біомасу, яка може перейти на рівень мартинів:
   $120\text{ кг} \times 0{,}1 = 12\text{ кг}$
3. Знаходимо суху масу одного мартина:
   $1\text{ кг} \times 0{,}40 = 0{,}4\text{ кг}$
4. Визначаємо кількість мартинів, які можуть прогодуватися:
   $12\text{ кг} : 0{,}4\text{ кг} = 30\text{ особин}$

Відповідь: на цій ділянці може прогодуватися 30 мартинів.

РОБОТА В ГРУПІ

Схарактеризуйте город як екосистему (вид екосистеми, її компоненти, взаємозв’язки між організмами, стійкість екосистеми). Презентуйте свої напрацювання.

Город є штучною екосистемою (агроценозом), створеною та підтримуваною працею людини.

1. Компоненти:

• Біотоп: оброблений родючий ґрунт, повітря, волога від поливу та сонячне світло.
• Продуценти: висаджені культурні рослини (картопля, томати, капуста, огірки), а також супутні бур’яни (пирій, лобода).
• Консументи: рослиноїдні тварини та шкідники (колорадський жук, капустяний білан, попелиці, капустянка), хижі комахи (сонечка, туруни), комахоїдні птахи, дощові черв’яки та сама людина як головний споживач.
• Редуценти: ґрунтові бактерії та цвілеві гриби, що розкладають відмерлі рештки рослин.

2. Взаємозв’язки: трофічні ланцюги тут дуже короткі та спрямовані на передачу біомаси людині; між культурними рослинами та бур’янами існує жорстка конкуренція за світло, воду й мінеральні речовини.

3. Стійкість: екосистема городу є вкрай нестійкою і нездатною до тривалої саморегуляції, тому без догляду людини (поливу, прополювання, внесення добрив і захисту від шкідників) вона швидко руйнується та заростає дикорослими травами.

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

1. У луговому угрупованні живуть гусениця, жайворонок, люцерна, шуліка. Складіть харчовий ланцюг.

люцерна $\to$ гусениця $\to$ жайворонок $\to$ шуліка

Люцерна є продуцентом (утворює органічні речовини), гусениця — первинним рослиноїдним консументом (споживає люцерну), жайворонок — вторинним комахоїдним консументом (живиться гусеницями), а шуліка — третинним консументом або вершинним хижаком (полює на жайворонків).

2. Розподіліть організми за трофічними рівнями й побудуйте екологічну піраміду: комахи, чагарники, гриби, мухоловки, дерева, яструби, бактерії, сови, синиці, гусениці.

Розподіл організмів за ланками живлення:

• 1-й трофічний рівень (продуценти): дерева, чагарники.
• 2-й трофічний рівень (первинні консументи, рослиноїдні): гусениці, комахи (рослиноїдні).
• 3-й трофічний рівень (вторинні консументи, комахоїдні): синиці, мухоловки.
• 4-й трофічний рівень (вершинні консументи, хижаки): яструби, сови.
• Редуценти (розкладають органічні рештки організмів усіх рівнів): гриби, бактерії.

3. Середня маса однорічної лисиці становить 7 кг. Припустімо, що з двомісячного віку, коли маса лисеняти становила 1400 г, воно перейшло на живлення суто куріпками (середня маса дорослої куріпки становить 500 г). Яка площа (у га) необхідна для того, щоб одна лисиця виросла, якщо продуктивність рослинної біомаси становить 1,5 т/га?

Дано:

• кінцева маса лисиці = $7\text{ кг}$
• початкова маса лисеняти = $1400\text{ г} = 1,4\text{ кг}$
• маса однієї куріпки = $500\text{ г} = 0,5\text{ кг}$
• продуктивність рослинності = $1,5\text{ т/га} = 1500\text{ кг/га}$

Розв’язання:

1. Складаємо трофічний ланцюг живлення:
   рослини (продуценти) $\to$ куріпка (первинний консумент) $\to$ лисиця (вторинний консумент).

2. Знаходимо приріст біомаси лисиці за час живлення куріпками:
   $\Delta m = 7\text{ кг} - 1,4\text{ кг} = 5,6\text{ кг}$.

3. За правилом екологічної піраміди (на кожен наступний трофічний рівень переходить близько $10\%$ біомаси) визначаємо необхідну масу куріпок:
   $m(\text{куріпок}) = 5,6\text{ кг} \times 10 = 56\text{ кг}$ (це відповідає $56\text{ кг} : 0,5\text{ кг} = 112$ птахам).

4. Розраховуємо біомасу рослин, необхідну для утворення такої маси куріпок:
   $m(\text{рослин}) = 56\text{ кг} \times 10 = 560\text{ кг} = 0,56\text{ т}$.

5. Обчислюємо площу, потрібну для отримання цієї кількості рослинної біомаси:
   $S = \frac{560\text{ кг}}{1500\text{ кг/га}} \approx 0,373\text{ га}$.

Відповідь: приблизно 0,37 га.