Как правильно составить пищевую цепочку. Реферат: Пищевые цепочки в природе. Уровни и структурные элементы пищевой цепи

ТРОФИЧЕСКИЕ ЦЕПИ

Цель работы : получение навыков составления и анализа пищевых (трофических) цепей.

Общие сведения

Между живыми организмами экосистем существуют разнообразные связи. Одной из центральных связей, которая как бы цементирует самые разные организмы в одну экосистему, является пищевая, или трофическая. Пищевые связи объединяют между собой организмы по принципу пища - потребитель. Это ведет к возникновению пищевых, или трофических цепей. Внутри экосистемы содержащие энергию вещества создаются автотрофными организмами и служат пищей для гетеротрофов. Пищевые связи - это механизмы передачи энергии от одного организма к другому. Типичный пример – животное поедает растения. Это животное, в свою очередь, может быть съедено другим животным. Таким путем может происходить перенос энергии через ряд организмов

Каждый последующий питается предыдущим, поставляющим ему сырье и энергию.

Такая последовательность переноса энергии пищи в процессе питания от ее источника через последовательный ряд живых организмов называется пищевой (трофической) цепью, или цепью питания.Трофические цепи - это путь однонаправленного потока солнечной энергии, поглощенной в процессе фотосинтеза, через живые организмы экосистемы в окружающую среду, где неиспользованная часть ее рассеивается в виде низкотемпературной тепловой энергии.

ные мыши, воробьи, голуби. Иногда в экологической литературе любую пищевую связь называют связью «хищник – жертва», понимая под хищником поедателя. Стабильность системы «хищник-жертва» обеспечивается следующими факторами:

- неэффективность хищника, бегство жертвы;

- экологические ограничения, налагаемые внешней средой на численность популяции;

- наличие у хищников альтернативных пищевых ресурсов;

- уменьшение запаздывания в реакции хищника.

Место каждого звена в цепи питания являетсятрофическим уровнем. Первый трофический уровень занимают автотрофы, или так называемыепервичные продуценты. Организмы второго трофического уровня называютсяпер-

вичными консументами, третьего - вторичными консументамии т. д.

Трофические цепи делятся на два основных типа: пастбищные (цепи выедания, цепи потребления) идетритные (цепи разложения).

Растение → заяц → волк Продуцент → травоядное животное → плотоядное животное

Широко распространены и такие пищевые цепи:

Растительный материал (например, нектар) → муха → паук → землеройка → сова.

Сок розового куста → тля → божья коровка → паук → насекомоядная птица → хищная птица.

В водных, в частности, морских экосистемах пищевые цепи хищников длиннее, чем в наземных.

Детритная цепь начинается с мертвого органического вещества - детрита, который разрушается детритофагами, поедаемыми мелкими хищниками, и заканчивается работой редуцентов, минерализующих органические остатки. В детритных пищевых цепях наземных экосистем важную роль играют лиственные леса, большая часть листвы которых не употребляется растительноядными животными в пищу и входит в состав лесной подстилки. Листья измельчаются многочисленными детритофагами (грибами, бактериями, насекомыми), далее заглатываются дождевыми червями, которые осуществляют равномерное распределение гумуса в поверхностном слое почвы, образуя мулль. Разлагающие

микроорганизмы, завершающие цепь, производят окончательную минерализацию мертвых органических остатков (рис. 1).

В целом типичные детритные цепи наших лесов можно представить следующим образом:

листовая подстилка → дождевой червь → черный дрозд → ястребперепелятник;

мертвое животное → личинки падальных мух → травяная лягушка → уж.

Рис. 1. Детритная пищевая цепь (по Небелу, 1993)

В качестве исходного органического материала, который подвергается в почве биологической переработке организмами, населяющими почву, можно для примера рассмотреть древесину. Древесина, попадающая на поверхность почвы, прежде всего, подвергается переработке личинками насекомых усачей, златок, сверлил, которые используют ее в пищу. Им на смену приходят грибы, мицелий которых в первую очередь поселяется в ходах, проделанных в древесине насекомыми. Грибы еще сильнее разрыхляют и разрушают древесину. Такая рыхлая древесина и сам мицелий оказываются пищей для личинок огнецветки. На следующем этапе в уже сильно разрушенной древесине поселяются муравьи, которые уничтожают почти всех личинок и создают условия для поселения в древесине новой генерации грибов. Такими грибами начинают кормиться улитки. Завершают же разрушение и гумификацию древесины микробы-редуценты.

Аналогично идет гумификация и минерализация навоза диких и домашних животных, поступающего в почву.

Как правило, пища каждого живого существа более или менее разнообразна. Только все зеленые растения «питаются» одинаково: углекислым газом и ионами минеральных солей. У животных случаи узкой специализации питания довольно редки. В результате возможной смены питания животных все организмы экосистем вовлечены в сложную сеть пищевых взаимоотношений. Пищевые цепи тесно переплетаются друг с другом, образуя пищевые, или трофические сети. В трофической сети каждый вид прямо или косвенно связан со многими. Пример трофической сети с размещением организмов по трофическим уровням представлен на рис. 2.

Пищевые сети в экосистемах весьма сложные, и можно сделать вывод, что поступающая в них энергия долго мигрирует от одного организма к другому.

Рис. 2. Трофическая сеть

В биоценозах пищевые связи играют двоякую роль. Во-первых, они

обеспечивают передачу вещества и энергии от одного организма к другому.

Вместе, таким образом, уживаются виды, которые поддерживают жизнь друг друга. Во-вторых, пищевые связислужат механизмом регуляции численно-

Представление трофических сетей может быть традиционным (рис.2) или с использованием ориентированных графов (орграфов).

Геометрически ориентированный граф можно представить в виде набора вершин, обозначаемых кружками с номерами вершин, и дуг, соединяющих эти вершины. Дуга задаёт направление от одной вершины к другой.Путём в графе называется такая конечная последовательность дуг, в которой начало каждой последующей дуги совпадает с концом предыдущей. Дуги можно обозначать парой вершин, которые она соединяет. Путь записывается в виде последовательности вершин, через которые он проходит.Контуром называется путь, начальная вершина которого совпадает с конечной.

НАПРИМЕР:

В 3;

1, 2 или 1, 3, 2 – пути от вершины

В сети питания вершиной графа отображаются объекты моделирования; дуги, обозначаемые стрелками, проводят от жертвы кхищнику.

Любой живой организм занимает определённую экологическую нишу . Экологическая ниша – это совокупность территориальных и функциональных характеристик среды обитания, соответствующих требованиям данного вида. Никакие два вида не имеют в экологическом фазовом пространстве одинаковых ниш. Согласно принципу конкурентного исключения Гаузе, два вида с близкими экологическими требованиями длительное время не могут занимать одну экологическую нишу. Эти виды конкурируют, и один из них вытесняет другой. На основе сетей питания можно построитьграф конкуренции. Живые организмы в графе конкуренции отображаются в виде вершин графа, между вершинами проводится ребро (связь без направления) в том случае, если существуетживой организм , который служит пищей для организмов, отображаемых вышеуказанными вершинами.

Разработка графа конкуренции позволяет выделить конкурирующие виды организмов и проанализировать функционирование экосистемы и её уязвимость.

Широко распространён принцип соответствия роста сложности экосистемы и увеличения её устойчивости. Если экосистема представлена сетью питания, можно использовать разные способы измерения сложности:

- определить число дуг;

- найти отношение числа дуг к числу вершин;

Для измерения сложности и разнообразия сети питания используется также трофический уровень, т.е. место организма в цепи питания. Трофический уровень можно определять как по наиболее короткой, как и по наиболее длинной цепи питания от рассматриваемой вершины, имеющей трофический уровень, равный «1».

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание 1

Составьте сеть для 5 участников: трава, птицы, насекомые, зайцы, лисы.

Задание 2

Установите цепи питания и трофический уровень по наиболее короткому и наиболее длинному пути сети питания из задания «1».

4 . Насекомые

Примечание: пастбищная пищевая цепь начинается с продуцентов . Организм, указанный в колонке 1, является верхним трофическим уровнем. Для консументов I порядка длинный и короткий пути трофической цепи совпадают.

Задание 3

Предложите трофическую сеть согласно варианта задания (табл. 1П) и составьте таблицу трофических уровней по наиболее длинному и наиболее короткому пути. Пищевые предпочтения консументов приведены в табл. 2П.

Задание 4

Составьте трофическую сеть по рис. 3 и разместите ее участников по трофическим уровням

ПЛАН ОТЧЕТА

1. Цель работы.

2. Граф трофической сети и граф конкуренции по учебному примеру (задания 1, 2).

3. Таблица трофических уровней по учебному примеру (задание 3).

4. Граф сети питания, граф конкуренции, таблица трофических уровней согласно варианту задания.

5. Схема трофической сети с размещением организмов по трофическим уровням (по рис.3).

Рис. 3. Биоценоз тундры.

Первый ряд: мелкие воробьиные, различные двукрылые насекомые, мохноногий канюк. Второй ряд: песец, лемминги, полярная сова. Третий ряд: белая куропатка, зайцы-беляки. Четвертый ряд: гусь, волк, северный олень.

Литература

1. Реймерс Н.Ф. Природопользование: Словарь-справочник. – М.: Мысль, 1990. 637 с.

2. Жизнь животных в 7-ми томах. М.: Просвещение, 1983-1989.

3. Злобин Ю.А. Общая экология. Киев.: Наукова думка, 1998. – 430 с.

4. Степановских А.С. Экология: Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИДАНА,

5. Небел Б. Наука об окружающей среде: как устроен мир. – М.: Мир, 1993.

–т.1 – 424 с.

6. Экология: Учебник для технических вузов/ Л.И. Цветкова, М.И. Алексеев, и др.; Под ред. Л.И. Цветковой. –М.: АСВ; СПб: Химиздат, 2001.-552с.

7. Гирусов Э.В. и др. Экология и экономика природопользования: Учебник для вузов/Под ред. Проф. Э.В. Гирусова. – М.: Закон и право, ЮНИТИ,

Тема урока: «Кто что ест? Цепи питания».

Тип урока: изучение нового материала.

Учебник: “Мир вокруг нас 3 класс 1 часть” (авт. А.А. Плешаков)

Цели и задачи урока

Цель: обобщить знания учащихся о разнообразии животного мира, о группах животных по типу питания, о цепях питания,о размножении и стадиях развития, приспособленности к защите от врагов и охране животных.

Задачи:

1. Способствовать обогащению и развитию субъективных представлений о жизни животных.

2. Способствовать формированию умения у детей составлять, "читать", схемы, моделировать экологические связи.

3. Способствовать развитию умений и навыков самостоятельной и групповой работы.

4. Создать условия для развития логического мышления;

5. Воспитывать чувство ответственности за все живое, что нас окружает, чувство любви к природе.

Оборудование урока

Компьютер.

Листы с заданиями.Карточки с ребусами.

Мультимедийный проектор.

Учебник: Плешаков А.А. Мир вокруг нас. - М., Просвещение, 2007г.

Доска

Ход урока.

1 .Организационный момент.

2. Сообщение темы урока и постановка проблемы.

(Приложение слайд 1)

Ребята, посмотрите внимательно на слайд. Подумайте, чем связаны между собой эти представители живой природы. Кто по данному слайду определит тему нашего урока?

(Мы будем говорить о том, кто как питается.)

Правильно! Если внимательно посмотреть на слайд, то видно, что все предметы соединены стрелочками в цепочку по способу питания. В экологии такие цепочки называются экологическими цепями, или цепями питания. Отсюда тема нашего урока “Кто что ест? Цепи питания”.

3. Актуализация знаний.

Чтобы проследить разные цепи питания, попробовать их составить самим, нам нужно вспомнить, а кто как питается. Начнем с растений. В чем особенность их питания? Расскажите, опираясь на таблицу.

(Приложение слайд 3)

(Растения получают из воздуха углекислый газ. Корнями из почвы они поглощают воду и растворенные в ней соли. Под действием солнечного света растения превращают углекислый газ, воду и соли в сахар и крахмал. Их особенность заключается в том, что они сами готовят пищу.)

А теперь давайте вспомним, на какие группы по способу питания делятся животные и чем они отличаются друг от друга.

(Растительноядные животные питаются растительной пищей. Насекомоядные поедают насекомых. Хищные животные питаются плотью других животных, поэтому еще называются плотоядными. Всеядные животные питаются растительной и животной пищей.)

(Приложение слайд 4)

4. Открытие нового знания .

Цепи питания – это связи всего живого по питанию. Цепей питания в природе очень много. В лесу они одни, совершенно иные на лугу и в водоеме, третьи в поле и в саду. Я предлагаю вам выступить в роли ученых-экологов и заняться поисковой деятельностью. Все группы отправятся в разные места. Вот маршруты ученых-экологов.

(Приложение слайд 5)

Где вам придется трудиться, решит жеребьевка.

От каждой группы приглашаю по одному человеку, и они вытаскивают карточку с названием места. Эти же ребята получают листы со стрелками и по 4 карточки с изображением растений и животных.

А теперь послушайте задание. Каждая группа, используя карточки, должна составить цепь питания. Карточки прикрепляются к листу со стрелками скрепками. Сразу договоритесь, кто будет представлять вашу цепь классу. Подумайте, все ли карточки вам понадобятся.

По сигналу ребята начинают работать в группах . Тем , кто закончил раньше , предлагаются загадки .

(Приложение слайд 6)

Все готовые цепи развешиваются на доске .

В лесу растет сосна. Под корой сосны живет жук–короед и ею питается. В свою очередь жук–короед является пищей для дятлов. У нас была лишняя картинка – коза. Это домашнее животное и в эту цепь питания не входит.

Давайте проверим работу ребят.

(Приложение слайд 7)

Таким же образом объясняют свои цепи и другие группы.

2) Поле: рожь – мышь – змея (лишняя – рыба).

(Приложение слайд 8)

3) Огород: капуста – слизни – жаба (лишний – медведь).

(Приложение слайд 9)

4) Сад: яблоня – яблонная тля – божья коровка (лишняя – лиса).

(Приложение слайд 10)

5) Водоем: водоросли – карась – щука (лишний – заяц).

(Приложение слайд 11)

Все цепи у нас на доске . Давайте понаблюдаем , из каких звеньев они состоят . Что есть на каждой таблице ? Что стоит на первом месте ? На втором ? На третьем ?

(Растение. Животное растительноядное. Животное хищное, насекомоядное или всеядное.)

5. Первичное закрепление знания.

1.Работа по учебнику.стр96-97.

А теперь, ребята, давайте познакомимся со статьей учебника и проверим себя. Дети открывают учебник с. 96–97 и про себя читают статью “Цепи питания”.

– Какие цепи питания приведены в учебнике?

Осина – заяц – волк.

Дубы – лесные мыши – совы.

В каком порядке расположены звенья в цепи питания?

I звено – растения;

II звено – растительноядные животные;

III звено – остальные животные.

(Приложение слайд 12)

2) Повторение правил поведения в лесу.

Вот мы и в лесу. Послушайте звуки леса, посмотрите на разнообразие его обитателей. А знаете ли вы, как нужно вести себя в лесу?

1. Не ломать ветки деревьев и кустарников.

2.Не срывать и затаптывать цветы и лекарственные растения.

3.Не ловить бабочек, стрекоз и других насекомых.

4.Не уничтожать лягушек, жаб.

5.Не трогать птичьи гнезда.

6.Не приносить из леса животных домой.

Открывается слайд 6 (приложение) с изображениями совы, мышей и желудей. Учащиеся составляют цепь питания, перемещая картинки.

Кто крупнее в этой цепи питания?

Крупнее всех – сова, а мышь крупнее желудя.

Если бы у нас были волшебные весы, и мы бы взвесили всех сов, мышей и желуди, то оказалось бы, что желуди тяжелее мышей, а мыши тяжелее сов. Как вы думаете, почему?

Потому, что желудей в лесу очень, очень много, мышей много, а сов – мало.

И это не случайно. Ведь одной сове для питания надо много мышей, а одной мышке – множество желудей. Получается экологическая пирамида.

Обобщающий вывод :

В природе все и всё связано между собой. Сети питания переплетаются и образуют пищевую сеть. Растения и животные образуют экологические пирамиды. В основании – растения, а на вершине – хищные животные.

6 .Знакомство с понятием “сеть питания”

Цепи питания в природе не так просты как в нашем примере. Зайца могут поедать и другие животные. Какие? (лиса, рысь, волк)

Мышь может стать добычей лисы, совы, рыси, кабана, ежа.

Многие растительноядные животные служат пищей разным хищникам.

Поэтому цепи питания разветвлены, они могут переплетаться между собой, образуя сложную сеть питания.

7.Проблемная ситуация .

Ребята, что произойдет, если в лесу исчезнут все деревья, которыми питается заяц? (Зайцу нечего буде есть)

– А если не будет зайцев? (То не будут пищи и лисе, и волку)

– Что произойдёт с цепочкой? (Она разрушится)

Какой вывод можно сделать? (Если разрушить хоть одно звено в цепи, то разрушится и вся цепочка.)

8.Составить несколько возможных цепей питания

9. Итог занятия. Обобщение по теме.

Рефлексия.

“Договори фразу”.

Животные и растения связаны между собой в ……………………

В основе цепи питания находятся ………………………………..

А заканчивают цепь – ………………………………………..

В природе цепи питания переплетаются между собой, образуя

…………………………………………

Домашнее задание .

1.Приготовить сообщение об одном из друзей Березы;

2.Выполнить задания №4 из пособия «Окружающий мир» (на рисунке изображен участок сада. Составить несколько возможных цепей питания).

Для меня природа представляет собой эдакий хорошо смазанный механизм, в котором предусмотрено все до мелочей. Удивительно, как все продумано, и вряд ли человек сможет создать когда-нибудь нечто подобное.

Что означает термин «цепь питания»

Согласно научному определению, в это понятие входит перенос энергии через ряд организмов, где первым звеном выступают продуценты. В эту группу включаются растения, которые поглощают неорганические вещества, из которых синтезируют питательные органические соединения. Ими питаются консументы - такие организмы, которые не способны к самостоятельному синтезу, а значит, вынуждены питаться уже готовой органикой. Это травоядные животные и насекомые, которые выступают в качестве «обеда» уже для других консументов - хищников. Как правило, цепь содержит около 4-6 уровней, где замыкающее звено представлено редуцентами - разлагающими органику организмами. В принципе, звеньев может быть гораздо больше, но есть природный «ограничитель»: в среднем, каждое звено получает мало энергии предыдущего - до 10%.

Примеры цепей питания в лесном сообществе

Для лесов существуют свои особенности, в зависимости от их типа. Хвойные леса не отличаются богатой травяной растительностью, а значит, и цепи питания будут иметь определенный набор животных. Например, олень с удовольствием лакомится бузиной, а сам становится добычей медведя или рыси. Для широколиственного леса будет свой набор. Например:

• кора - жучки-короеды - синица - сокол;
• муха - рептилия - хорек - лиса;
• семена и плоды - белка - сова;
• растение - жук - лягушка - уж - ястреб.

Стоит упомянуть падальщиков, которые «утилизируют» органические останки. В лесах их великое множество: от простейших одноклеточных до позвоночных. Их вклад в природу огромен, поскольку, в противном случае, планета покрылась бы останками животных. Они же преобразуют мертвые тела в неорганические соединения, которые необходимы растениям, и все начинается заново. В общем, природа - само совершенство!

Вступление

Яркий пример цепи питания:

Классификация живых организмов относительно роли в круговороте веществ

В любой цепи питания участвует 3 группы живых организмов:

Связи между организмами в цепи питания

Цепь питания, какой бы она ни была, создаёт тесные связи между разнообразными объектами как живой природы, так и неживой. И разрыв абсолютно любого её звена может привести к плачевным результатам и дисбалансу в природе. Самым важным и неотъемлемым компонентом любой цепи питания является солнечная энергия. Не будет её - не будет жизни. При перемещении по цепи питания эта энергия перерабатывается, и каждый из организмов делает её своей собственной, передавая следующему звену лишь 10%.

Умирая, организм попадает в другие схожие цепочки питания, и таким образом круговорот веществ продолжается. Все организмы могут спокойно выходить из одних цепочек питания и переходить в другие.

Роль природных зон в круговороте веществ

Естественно, организмы, проживающие в одной и той же природной зоне, создают друг с другом свои особенные цепочки питания, которые не могут повториться в какой-либо другой зоне. Так, цепь питания степной зоны, например, состоит из большого разнообразия трав и животных. Деревья цепь питания в степи в себя практически не включает, так как их либо очень мало, либо они низкорослые. А что касается животного мира, то тут преобладают парнокопытные, грызуны, соколы (ястребы и другие подобные пернатые) и различного рода насекомые.

Классификация цепей питания

Принцип экологических пирамид

Если рассматривать конкретно цепи, начинающиеся с растений, то весь круговорот веществ в них происходит от фотосинтеза, в процессе которого поглощается солнечная энергия. Большую часть этой энергии растения расходуют на свою жизнедеятельность, и лишь 10% переходит к следующему звену. В итоге каждому последующему живому организму требуется всё больше и больше существ (объектов) предыдущего звена. Это хорошо показывают экологические пирамиды, которые чаще всего используются в этих целях. Они бывают пирамидами массы, количества и энергии.

Перенос энергии в экосистеме осуществляется через так называемые пищевые цепи . В свою очередь, пищевая цепь - это перенос энергии от ее первоначального источника (обычно им являются автотрофы) через ряд организмов, путем поедания одних другими. Пищевые цепи подразделяются на два вида:

Сосна обыкновенная => Тли => Божьи коровки => Пауки =>Насекомоядные

птицы => Хищные птицы.

Трава => Травоядные млекопитающие => Блохи => Жгутиконосцы.

2) Детритная пищевая цепь. Она берет свое начало от мертвого органического вещества (т.н. детрита ), которое либо потреблятеся в пищу мелкими, преймущественно беспозвоночными животными, либо разлагается бактериями или грибами. Организмы, потребляющие мертвое органическое вещество, называются детритофагами , разлагающие его - деструкторами .

Пастбищная и детритная пищевые цепи обычно существуют в экосистемах совместно, но один из видов пищевых цепей почти всегда доминирует над другим. В некоторых же специфических средах (например в подземной), где из-за отсутствия света невозможна жизнедеятельность зеленых растений, существуют только детритные пищевые цепи.

В экосистемах пещевые цепи не изолированы друг от друга, а тесно переплетены. Они составляют так называемые пищевые сети . Это происходит потому, что каждый продуцент имеет не одного, а нескольких консументов, которые, в свою очередь, могут иметь несколько источников питания. Взаимосвязи внутри пищевой сети наглядно иллюстрирует приведенная ниже схема.

Схема пищевой сети.

В пищевых цепях образуются так называемые трофические уровни . Трофические уровни классифицируют организмы в пищевой цепи по типам их жизнедеятельности или по источникам получения энергии. Растения занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные (консументы первого порядка) относятся ко второму трофическому уровню, хищники, поедающие травоядных, образуют третий трофический уровень, вторичные хищники - четвертый и т.д. первого порядка.

Поток энергии в экосистеме

Как нам известно, перенос энергии в экосистеме осуществляется через пищевые цепи. Но далеко не вся энергия предыдущего трофического уровня переходит на следующий. В качестве примера можно привести следующую ситуацию: чистая первичная продукция в экосистеме (то есть количество энергии, накопленное продуцентами) составляет 200 ккал/м^2, вторичная продуктивность (энергия, накопленная консументами первого порядка) равна 20 ккал/м^2 или 10% от предыдущего трофческого уровня, энергия же следующего уровня составляет 2 ккал/м^2, что равно 20% от энергии предыдущего уровня. Как видно из данного примера, при каждом переходе на более высокий уровень теряется 80-90% энергии предыдущего звена пищевой цепи. Подобные потери связаны с тем, что значительная часть энергии при переходе с одной ступени на другую не усваивается представителями следующего трофического уровня или превращается в тепло, недоступное для использования живыми организмами.

Универсальная модель потока энергии.

Поступление и расход энергии можно рассмотреть с помощью универсальной модели потока энергии . Она применима к любому живому компоненту экосистемы: растению, животному, микроорганизмам, популяции или трофической группе. Подобные графические модели, соединенные между собой, могут отражать пищевые цепи (при последовательном соединении схем потока энергии нескольких трофических уровней образуется схема потока энергии в пищевой цепи) или биоэнергетику в целом. Поступившая в биомассу энергия на схеме имеет обозначение I . Однако, часть поступившей энергии, не подвергается превращнию (на рисунке обозначена, как NU ). Например, это происходит в случае, когда часть света, проходящего через растения, не поглощается ими, или когда часть пищи, проходящей через пищеварительный тракт животного, не усваивается его организмом. Усвоенная (или ассимилированная ) энергия (обозначенная за A ) используется для различных целей. Она тратитися на дыхание (на схеме-R ) т.е. на поддержание жизнедеятельности биомассы и на продуцирование органического вещества (P ). Продукция, в свою очередь, принимате различные формы. Она выражается в энергетических затратах на рост биомассы (G ), в различных выделениях органического вещетсва во внешнюю среду (E ), в запасе энергии организмом (S ) (примером подобного запаса являются жировые накопления). Запасенная энергия образует на схеме так называемую рабочую петлю , так как данная часть продукции используется для обеспечения энергией в будущем (напимер, хищник использует свой запас энергии для поиска новых жертв). Оставшаяся часть продукции представляет собой биомассу (B ).

Универсальную модель потока энергии можно интерпретировать двояко. Во-первых она может представлять популяцию какого-либо вида. В данном случае каналы потока энергии и связи рассматриваемого вида с другими видами представляют собой схему пищевой цепи. Другая интерпритация трактует модель потока энергии как изображение какого-либо энергетического уровня. Тогда прямоугольник биомассы и каналы потока энергии представляют все популяции, поддерживаемые одним и тем же источником энергии.

Для того, чтобы наглядно показать различие подходов трактовки универсальной модели потока энергии можно рассмотреть пример с популяцией лис. Часть рациона лисиц составляет растительность (плоды и т.д.), другую же часть составляют травоядные животные. Чтобы подчеркнуть аспект внутрипопуляционной энергетики (первая интерпритация энергетической модели), всю популяцию лис следует изобразить в виде одного прямоугольника, если же нужно распределить метаболизм (метаболизм - обмен веществ, интенсивность обмена веществ) популяции лис на два трофических уровня, то есть отобразить соотношение ролей растительной и животной пищи в обмене веществ, необходимо построить два или несколько прямоугольников.

Зная универвальную модель потока энергии, можно определить отношение величин энергетического потока в разных точках пищевой цепи.Выраженные в процентах, эти отношения называют экологической эффективностью . Существует несколько групп экологических эффективностей. Первая группа энергетических отношений: B/R и P/R . Доля энергии, расходущейся на дыхание, велика в популяциях крупных организмов. При стрессовом воздействии внешней среды R возрастает. Величина P значительна в активных популяциях мелких организмов (например водорослей), а также в системах, получающих энергию извне.

Следующая группа отношений: A/I и P/A . Первое из них называется эффективностью ассимиляции (т.е. эффективностью использования поступившей энергии), второе - эффективностью роста тканей . Эффективность ассимиляции может варьироваться от 10 до 50% и выше. Она может либо достигать малой величины (при ассимиляции энергии света растениями), либо иметь большие значения (при ассимиляции энергии пищи животными). Обычно эффективность ассимиляции у животных зависит от их пищи. У растительноядных животных она достигает 80% при поедании семян, 60% при использовании в пищу молодой листвы, 30-40% - более старых листьев, 10-20% при питании древесиной. У хищных животных эффективность ассимиляции составляет 60-90%, так как животоная пища гораздо легче усваивается организмом, чем растительная.

Эффективность роста тканей также широко варьируется. Наибольших значений она достигает в тех случаях, когда организмы имеют небольшие размеры и условия среды их обитания не требуют больших энергетических затрат на поддержание оптимальной для роста организмов температуры.

Третья группа энергетических отношений: P/B . Если рассматривать P как скорость прироста продукции, P/B представляет собой отношение продукции в конкретный момент времени к биомассе. Если расчитывается продукция за определенный промежуток времени, значение отношения P/B определяется исходя из средней за этот промежуток времени биомассы. В данном случае P/B является безразмерной величиной и показывает, во сколько раз продукция больше или меньше биомассы.

Следует отметить, что на энергетические характеристики экосистемы оказывает влияние размеры организмов, населяющих экосистему. Установлена зависимость между размером организма и его удельным метаболизмом (метаболизмом на 1г. биомассы). Чем мельче организм, тем выше его удельный метаболизм и, следовательно, тем меньше биомасса, которая может поддерживаться на данном трофическом уровне экосистемы. При одинаковом количестве использованной энергии организмы больших размеров накапливают большую биомассу, чем мелкие. Например, при равном значении потребленной энергии, биомасса, накопленная бактериями, будет гораздо ниже биомассы, накопленной крупными организмами (наприемр млекопитающими). Иная картина открывается при рассмотрении продуктивности. Так как продуктивность - это скорость прироста биомассы, то она больше у мелких жвотных, которые имеют более высокие темпы размножения и обновления биомассы.

В связи с потерей энергии внутри пищевых цепей и зависимостью метаболизма от размера особей, каждое биологическое сообщество приобретает определеную трофическую структуру, которая может служить характеристикой экосистемы. Трофическая структура характеризуется или урожаем на корню, или количеством энергии, фиксируемой на единицу площади в единицу времени каждым последующим трофическим уровнем. Трофическую структуру можно изобразить графически в виде пирамид, основанием у которых служит первый трофический уровень (уровень продуцентов), а последующие трофические уровни образуют "этажи" пирамиды. Выделяют три типа экологических пирамид.

1) Пирамида численности (на схеме обозначена цифрой 1) Она отображает количество отдельных организмов на каждом из трофических уровней. Численность особей на разных трофических уровнях зависит от двух основных факторов. Первый из них - более высокий уровень удельного метаболизма у мелких животных по сравнению с крупными, что позволяет им иметь численное превосходство над крупными видами и более высокие темпы размножения. Другой из вышеназванных факторов - существование у хищных животных верхнего и нижнего предела размера их жертв. Если жертва намного крупнее хищника по размерам, то он будет не в состоянии ее одолеть. Добыча же небольшого размера не сможет удовлетворить энергетических потребностей хищника. Поэтому для каждого хищного вида существует оптимальный размер жертв Однако, для данного правила существуют исключения (например, змеи с помощью яда убивают животных, превышающих их по размерам). Пирамиды чисел могут быть обращены "острием" вниз в том случае, если продуценты намного превосходят первичных консументов по своим размерам (примером может служить экосистема леса, где продуцентами являются деревья, а первичными консументами - насекомые).

2) Пирамида биомассы (на схеме - 2). С ее помощью можно наглядно показать соотношения биомасс на каждом из трофических уровней. Она может быть прямой, если размер и срок жизни продуцентов достигает относительно больших величин (наземные и мелководные экосистемы), и обращенной, когда продуценты невелики по размеру и имеют короткий жизненный цикл (открытые и глубокие водоемы).

3) Пирамида энергии (на схеме - 3). Отражает величину потока энергии и продуктивность на каждом из трофических уровней. В отличии от пирамид численности и биомассы, пирамида энергии не может быть обращенной, так как переход энергии пищи на вышестоящие трофические уровни происходит с большими энергопотерями. Следовательно, суммарная энергия каждого предыдущего трофического уровня не может быть выше энергии последующего. Вышеприведеное рассуждение основано на использовании второго закона термодинамики, поэтому пирамида энергии в экосистеме служит его наглядной иллюстрацией.

Из всех названных выше трофических характеристик экосистемы только пирамида энергии дает наиболее полное представление об организации биологических сообществ. В пирамиде численности сильно преувеличена роль мелких организмов, а в пирамиде биомассы завышено значение крупных. В таком случае, данные критерии непригодны для сравнении функциональной роли популяции, сильно различающихся по значению отношения интенсивности метаболизма к размеру особей. По этой причине, именно поток энергии служит наиболее подходящим критерием для сравнения отдельных компонентов экосистемы между собой, а также для сравнения двух экосистем друг с другом.

Знание основных законов превращения энергии в экосистеме способствуют лучшему пониманию процессов функционрования экосистемы. Это особенно важно в связи с тем, что вмешательство человека в ее естественую "работу" может привести экологическую систему к гибели. В связи с этим, он должен уметь заранее предсказывать результаты своей деятельности, и представление об энергетических потоках в экосистеме сможет обеспечить большую точность этих предсказаний.