ГДЗ: Параграф §59 / Биология 11 класс

Основными количественными показателями экосистем являются биомасса и продукция (прирост биомассы).

• Биомасса: Общая биомасса наземных растений Земли (около \(2,4 \cdot 10^{12}\) т) на порядки выше биомассы продуцентов водных экосистем (около \(0,3 \cdot 10^{12}\) т водорослей).
• Продукция: Годовая продукция суши (100–133 млрд т) примерно в два раза выше годовой продукции Мирового океана (50–67 млрд т). Причина в том, что хотя биомасса водорослей меньше, их высокая скорость размножения обеспечивает высокую продуктивность.

Основные показатели биологической продуктивности:

• Валовая первичная продукция (\( П_в \)): Вся органическая материя, произведенная зелеными растениями (продуцентами) за единицу времени. Включает вещество, идущее на дыхание, и остальное, доступное для консументов.
• Траты на дыхание (\( Д \)): Органическое вещество, которое используется растениями для поддержания жизнедеятельности.
• Чистая первичная продукция (\( П_ч \)): Органическое вещество, накопленное растениями; представляет собой прирост биомассы и служит пищей для консументов (\( П_ч = П_в - Д \)).
• Вторичная продукция (\( П_2 \), \( П_3 \)): Органическое вещество (прирост биомассы), синтезированное консументами (животными).
• Биологическая продуктивность: Скорость создания и накопления биомассы и энергии, которая определяется скоростью обмена веществ и эффективностью передачи энергии по трофическим уровням.

Различия в продуктивности объясняются условиями окружающей среды, которые влияют на интенсивность фотосинтеза и рост растений:

• Тропический лес (2200 г/м² в год): Оптимальные условия — высокая температура, обилие влаги и света — обеспечивают максимальную скорость фотосинтеза и, соответственно, самую высокую продуктивность.
• Тундра (140 г/м² в год): Низкая продуктивность связана с экстремальными условиями — низкими температурами, коротким вегетационным периодом и мерзлотой.
• Пустыня (0,5 г/м² в год): Чрезвычайно низкая продуктивность обусловлена острым дефицитом воды, что резко ограничивает рост и фотосинтез.

Первичная продукция — это количество органического вещества, созданного продуцентами (растениями) за определенный период времени. Величина первичной продукции: \(150–200 \cdot 10^9\) т в год.

• В наземных экосистемах: Первичная продукция составляет около двух третей от общей (100–133 млрд т), что обусловлено большими запасами биомассы растений.
• В Мировом океане: Первичная продукция составляет около одной трети от общей (50–67 млрд т). Хотя биомасса водорослей мала, их очень высокая скорость оборота (короткий жизненный цикл и быстрое размножение) позволяет им создавать значительную годовую продукцию.

Значение первичной продукции в первую очередь зависит от условий среды (свет, температура, влага, минеральные вещества) и скорости оборота биомассы продуцентов.

Экологические пирамиды отображают:

• Пирамида чисел: Количество особей на каждом трофическом уровне.
• Пирамида биомассы: Общую массу организмов на каждом трофическом уровне.
• Пирамида энергии: Поток энергии, поступающей в пищу на каждом трофическом уровне.

Основные правила и исключения:

• Правило пирамиды чисел: Число особей уменьшается с каждым последующим трофическим уровнем. Исключение: Может быть перевернутой, если продуценты — крупные одиночные организмы (деревья) или если консументы питаются очень мелкой добычей.
• Правило пирамиды биомассы: Биомасса уменьшается с переходом на следующий трофический уровень. Исключение: Может быть перевернутой в водных экосистемах, где биомасса продуцентов (фитопланктона) меньше биомассы консументов (зоопланктона), но продуценты быстро размножаются и имеют высокую продуктивность.
• Пирамида энергии: Всегда имеет широкое основание и сужается кверху.

Пирамида энергии универсальна, так как она отражает фундаментальный закон термодинамики о потере энергии в виде теплоты на каждом трофическом уровне (правило 10%), и, в отличие от биомассы и чисел, никогда не может быть перевернутой.

Перевернутые пирамиды:

Пирамиды чисел и биомассы могут быть перевернутыми, когда происходит нарушение правила уменьшения количественного показателя с повышением трофического уровня. Это связано с тем, что масса или число особей не всегда отражают поток энергии.

• Перевернутая пирамида чисел (пример): В лесной экосистеме одно дерево (продуцент) может быть пищей для большого количества насекомых-консументов (первый порядок).
• Перевернутая пирамида биомассы (пример): В водной экосистеме (озеро, океан) малая биомасса быстрорастущего фитопланктона (продуценты) поддерживает большую биомассу зоопланктона (консументы первого порядка).

Пирамида энергии:

Пирамида энергии универсальна, поскольку она всегда сужается кверху. Она отражает динамику потока энергии и принцип ее неполной передачи (правило 10%) между трофическими уровнями. Она не зависит от типа трофической структуры, так как потери энергии на метаболизм и теплоотдачу являются неизбежными. Всегда \( \text{Энергия}_{\text{продуцентов}} > \text{Энергия}_{\text{консументов I}} > \text{Энергия}_{\text{консументов II}} \).

Знание законов биологической продуктивности (особенно правила 10% и принципов экологических пирамид) необходимо для рационального использования природных ресурсов и устойчивого управления экосистемами.

• Сельское хозяйство: Знание чистой первичной продукции позволяет прогнозировать урожайность (например, зерновых) и планировать объемы потребления. Эффективнее получать белок, выращивая растения (продуценты), а не животных (консументов), так как на каждый грамм массы животного требуется в 10–20 раз больше растительной массы.
• Рыболовство и аквакультура: Расчет допустимых объемов изъятия рыбы (вторичная продукция) из водоемов, чтобы не подорвать кормовую базу (первичную продукцию) и не истощить популяцию.
• Лесное хозяйство: Планирование рубок и лесопосадок с учетом скорости накопления биомассы (продуктивности) леса для обеспечения устойчивого получения древесины.
• Природоохранная деятельность: Обоснование создания заповедников и охранных зон для сохранения экосистем, имеющих высокую продуктивность (например, тропические леса, водно-болотные угодья).

Первичная продукция — это прирост органического вещества, созданный продуцентами (растениями) за единицу времени. На форзаце учебника (если бы он был здесь) можно было бы отметить, что:

• На суше (влажный тропический лес, тундра, пустыня) продукция зависит в первую очередь от климатических условий (тепло, влага, свет).
• В Мировом океане продукция зависит от минеральных веществ и скорости размножения водорослей. Хотя биомасса океана мала, продуктивность может быть высокой из-за быстрого оборота.

Формула \( P = П + Д + H \) отражает закон сохранения энергии в пищевой цепи и описывает судьбу энергии, полученной организмом из пищи:

• \( P \): Рацион питания — общее количество энергии или массы, поступившее с пищей.
• \( П \): Продукция — энергия или масса, которая пошла на прирост тела (биомассы), доступная для следующего трофического уровня.
• \( Д \): Траты на дыхание — энергия, израсходованная на метаболизм и поддержание жизни (теряется в виде теплоты).
• \( H \): Неиспользованная энергия — энергия, содержащаяся в неусвоенных остатках пищи (экскрементах).