Экологическая пирамида: как считать энергию в пищевой цепи

Пищевая цепь показывает, кто служит пищей для кого и как передаётся энергия органических веществ. В обычной записи стрелку направляют от пищи к потребителю. Например, в цепи «фитопланктон → зоопланктон → мелкая рыба → щука» зоопланктон поедает фитопланктон, а щука получает энергию через рыбу.

Как определить уровень

В этой модели фитопланктон является продуцентом: он создаёт органические вещества из неорганических с использованием энергии света. Это первый трофический уровень. Зоопланктон, питающийся им, относится к консументам первого порядка и занимает второй уровень. Мелкая рыба является консументом второго порядка, щука третьего.

Номер трофического уровня и порядок консумента отличаются на единицу, потому что первый уровень уже занят продуцентами. У всеядного организма положение зависит от рассматриваемой цепи. Если животное ест и растения, и растительноядных животных, ему нельзя навсегда приписать только один уровень для всей пищевой сети.

Почему энергии становится меньше

Не вся продукция предыдущего уровня оказывается в новой биомассе следующего. Часть организмов или их частей не съедается; часть пищи не усваивается. Значительная доля усвоенной энергии расходуется на процессы жизнедеятельности и в итоге рассеивается в виде тепла. Поэтому поток энергии к более высоким уровням уменьшается.

Правило 10% удобно для учебных расчётов, когда такая эффективность задана или прямо принята в условии. Это приближение: реальные значения отличаются между экосистемами и уровнями. Если в задаче указан переход 15%, используй 0,15, а не привычное 0,1.

Пример: от продуцентов к хищнику

За выбранный период продукция фитопланктона содержит 40 000 кДж энергии. На каждый следующий уровень цепи переходит 10%. Найдём энергию продукции щук за тот же период в данной модели.

1. Считаем переходы: фитопланктон → зоопланктон, зоопланктон → рыба, рыба → щука. Получается три перехода, хотя уровней четыре.
2. Зоопланктону соответствует 40 000 · 0,1 = 4000 кДж. Следующий уровень получает 4000 · 0,1 = 400 кДж.
3. Для щук остаётся 400 · 0,1 = 40 кДж. Это энергия продукции всего рассматриваемого уровня, а не энергетическая ценность одной щуки.

Сокращённая запись той же проверки: 40 000 · 0,1³ = 40 кДж. Степень равна числу стрелок, которые нужно пройти. Запись с четвёртой степенью дала бы лишнее уменьшение в десять раз.

Обратная задача

Пусть на уровне щуки нужно получить 60 кДж продукции при тех же трёх переходах. Теперь идём к основанию пирамиды. Делим на 0,1 на каждом шаге: для рыбы требуется 600 кДж, для зоопланктона 6000 кДж, для фитопланктона 60 000 кДж. При движении к продуцентам исходная величина увеличивается.

Единицы должны сохраняться: из килоджоулей получаются килоджоули. Чтобы перейти к массе организмов, нужна дополнительная информация об энергетической ценности их биомассы или отдельное допущение задачи. Само правило передачи энергии не даёт массу конкретного животного.

Три разные пирамиды

Пирамида энергии сравнивает поток энергии через уровни за одинаковое время; он убывает к вершине. Пирамида биомассы показывает запас массы в определённый момент. В водоёме быстро размножающийся фитопланктон может иметь небольшой текущий запас, хотя за длительный период производит много органики. Поэтому пирамида биомассы иногда бывает перевёрнутой.

Пирамида численности считает особей. Одно крупное дерево может поддерживать множество растительноядных насекомых, поэтому количество организмов тоже не обязано уменьшаться на каждом уровне. Эти исключения не отменяют уменьшения потока энергии.

Типичная ошибка

Редуценты не возвращают потраченную энергию растениям. Разлагая органические остатки разных уровней, они возвращают вещества в доступные для дальнейшего использования формы. Вещества участвуют в круговоротах, а энергия проходит через систему и рассеивается. Для её постоянной работы нужен новый внешний приток, в большинстве привычных экосистем от Солнца.