Екологічні піраміди і перетворення енергії в екосистемах

Майже вся енергія, завдяки якій існують екосистеми Землі, надходить від Сонця. Продуценти — рослини, водорості, ціанобактерії — під час фотосинтезу засвоюють (асимілюють) лише близько 1 % сонячного світла, що падає на їхню поверхню. Цю енергію вони запасають у хімічних зв’язках органічних речовин (вуглеводів, ліпідів, білків). Виняток становлять глибоководні екосистеми біля гідротермальних джерел, де джерелом енергії є хемосинтез — бактерії окиснюють сірководень (H₂S), водень та інші неорганічні сполуки (а деякі — метан CH₄) і створюють органіку без світла.

Органічну речовину, створену продуцентами за певний час, називають первинною продукцією. Розрізняють два її види:

• валова первинна продукція — уся органіка, синтезована продуцентами (включно з тією, що вони витратять на власне дихання);

• чиста первинна продукція — валова продукція мінус витрати продуцентів на дихання; саме ця частина доступна консументам як їжа.

Коли консумент (тварина, гриб) поїдає органіку, енергія їжі розподіляється так:

• частина не засвоюється й виходить з екскрементами — ця органіка переходить у детритні ланцюги живлення;

• значна частина засвоєної енергії витрачається на дихання: енергія АТФ іде на рух, синтез речовин, підтримання температури тіла й зрештою перетворюється на тепло;

• лише решта йде на ріст і розмноження — це приріст біомаси, який стає доступним наступному трофічному рівню.

Тепло, що утворилося під час дихання, розсіюється в довкіллі. Продуценти не можуть використати його знову для фотосинтезу. Саме тому з кожним трофічним рівнем кількість доступної енергії зменшується, а ланцюги живлення рідко мають більше ніж 4–5 ланок: на шостому рівні енергії вже недостатньо для підтримання популяції.

Частку енергії чи біомаси, що переходить на наступний рівень, у задачах НМТ завжди бери лише з умови. У підручниках для прикладу часто беруть 10 % — це правило Р. Ліндемана (1942). Однак програма НМТ цього числа не встановлює: умова може дати й 5 %, і 20 %, і будь-яку іншу частку.

Екологічна піраміда — це графічне зображення співвідношення трофічних рівнів у вигляді прямокутників однакової висоти, довжина яких пропорційна певному показнику. В основі піраміди завжди розташовані продуценти, вище — консументи I порядку, потім II порядку, III порядку тощо. Ідею піраміди чисел уперше запропонував Чарлз Елтон 1927 року. Розрізняють три типи екологічних пірамід.

Піраміда чисел

Показує кількість особин на кожному трофічному рівні. Вона буває прямою, коли продуценти дрібні й численні: наприклад, трава → коники → жаби → вужі. Однак піраміда чисел може бути оберненою. Це трапляється, коли один великий продуцент годує багато дрібних консументів: дуб → тисячі гусениць → десятки синиць. Інший приклад оберненої піраміди чисел — паразитична система, де на одному хазяїні живе багато паразитів.

Піраміда біомаси

Показує масу живої речовини (біомасу) на кожному рівні в певний момент часу. На суходолі вона зазвичай пряма: маса рослин більша за масу травоїдних, а маса травоїдних — за масу хижаків. У відкритому океані піраміда біомаси може бути оберненою: біомаса фітопланктону в певний момент менша за біомасу зоопланктону, який ним живиться. Чому так? Фітопланктон розмножується дуже швидко, але його одразу виїдають — тому запас біомаси малий, а продукція (приріст за час) висока.

Піраміда енергії (продукції)

Показує кількість енергії, що проходить через кожен трофічний рівень за одиницю часу, наприклад кДж на 1 м² за рік. Це єдиний тип піраміди, який завжди є прямим. Чому? Тому що на кожному рівні частина енергії розсіюється як тепло (дихання) і наступний рівень фізично не може отримати більше енергії, ніж мав попередній. Піраміда енергії найточніше відображає потік енергії в екосистемі.

Узагальнена схема перенесення речовин і енергії в екосистемі виглядає так:

Зверни увагу на ключову відмінність між речовинами й енергією. Хімічні елементи (Карбон, Нітроген, Фосфор та інші) багаторазово переходять від середовища до організмів і назад — це колообіг речовин. Мертві рештки всіх рівнів переробляють редуценти (бактерії, гриби), повертаючи неорганічні сполуки в середовище, звідки продуценти знову засвоюють їх. Речовини рухаються по колу.

Енергія, навпаки, рухається одним напрямком: від Сонця через продуцентів до консументів і зрештою розсіюється як тепло в довкіллі. Тепло не може бути використане продуцентами повторно. Тому екосистема — відкрита система: вона існує лише за постійного надходження енергії ззовні. Там, де світла немає (наприклад, у печері), продуцентів немає, і угруповання живиться органікою, принесеною ззовні.

Як читати схему в завданні НМТ? Стрілки, що замикаються в коло (продуценти → консументи → редуценти → неорганічні речовини → продуценти), позначають рух речовин. Стрілки тепла, що виходять за межі системи й не повертаються, — рух енергії. Продуценти — єдиний вхід сонячної енергії в ланцюг живлення.

Усі задачі на НМТ з цієї теми розв’язуються за єдиним принципом: енергія (або біомаса) на наступному трофічному рівні дорівнює енергії попереднього рівня, помноженій на частку переходу, яку дає умова.

Пряма задача: скільки енергії на вищому рівні?

Якщо продуценти запасли $2000000$ кДж, частка переходу 10 % (0,1), а консумент II порядку — це третій трофічний рівень, то переходів від продуцентів до нього два. Отже:

$2000000\times 0,1\times 0,1=20000$ кДж.

Ключове правило: переходів на один менше, ніж ланок у ланцюгу. Ланцюг «продуценти → консумент I → консумент II» має три ланки, але лише два переходи.

Зворотна задача: скільки їжі потрібно консументу?

Тут треба ділити на частку переходу стільки разів, скільки переходів. Наприклад, ланцюг: фітопланктон → зоопланктон → плітка → щука. Частка переходу 10 %. Щука набрала 2 кг. Скільки фітопланктону для цього знадобилося?

• щука (консумент III) — 2 кг;

• плітки потрібно: $2\text{ кг}:0,1=20$ кг;

• зоопланктону: $20\text{ кг}:0,1=200$ кг;

• фітопланктону: $200\text{ кг}:0,1=2000$ кг.

Розрахунок площі угідь

Площа угідь = потрібна маса продуцентів : продуктивність 1 м². Приклад: ланцюг трава → кролик → лисиця, частка 10 %, продуктивність луки 300 г сухої маси на 1 м² за рік. Лисиця набрала 3 кг.

• кроликів потрібно: $3\text{ кг}:0,1=30$ кг;

• трави: $30\text{ кг}:0,1=300$ кг = 300 000 г;

• площа: $300000\text{ г}:300{\text{ г/м}}^2=1000$ м².

Пастки розрахунку: переходів на один менше, ніж ланок; не змішуй грами й кілограми; не змішуй м² і гектари (1 га = 10 000 м²); якщо умова дає масу тіла разом із водою й частку води, спершу обчисли суху масу; частку переходу бери лише з умови — не бери 10 % автоматично.

Приклад 1. Два твердження

Прочитай твердження:

• I. У ланцюгу дуб → гусениці → синиці піраміда чисел обернена.

• II. У відкритому океані піраміда біомаси може бути оберненою.

Обери варіант: А — правильне лише I; Б — правильне лише II; В — обидва правильні; Г — обидва неправильні.

Розв’язання. Твердження I правильне: один великий дуб годує тисячі гусениць, тому кількість особин на рівні консументів більша, ніж на рівні продуцента — піраміда чисел обернена. Твердження II також правильне: у відкритому океані біомаса фітопланктону в певний момент може бути меншою за біомасу зоопланктону через швидке виїдання.

Відповідь: В (обидва правильні). Типова пастка — вважати, що обернутися може лише піраміда чисел, але піраміда біомаси теж буває оберненою.

Приклад 2. Розрахунок маси продуцентів

Ланцюг живлення: фітопланктон → зоопланктон → плітка → щука. Частка переходу біомаси з умови — 10 %. Скільки кілограмів фітопланктону потрібно, щоб маса щуки зросла на 2 кг?

Розв’язання. Визначаємо кількість переходів: від фітопланктону (продуцент) до щуки (консумент III) — три переходи. Рухаємося зворотно, ділимо на 0,1 тричі: $2\text{ кг}:0,1=20$ кг (плітка); $20:0,1=200$ кг (зоопланктон); $200:0,1=2000$ кг (фітопланктон).

Відповідь: 2 000 кг. Дистрактори: 200 кг — пропущено один перехід; 20 000 кг — зайвий перехід; 20 кг — ураховано лише один перехід.

Приклад 3. Логічні пари

Установи відповідність між поняттям (1–4) та його означенням (А–Д):

Зайве означення: Д — кількість особин на рівнях (це піраміда чисел). Відповідь: 1–А, 2–Б, 3–В, 4–Г.

Приклад 4. Розрахунок площі угідь

Продуктивність луки — 300 г сухої маси трави на 1 м² за рік. Ланцюг: трава → кролик → лисиця. Частка переходу 10 %. Яка площа луки потрібна, щоб лисиця набрала 3 кг?

Розв’язання. Від лисиці до трави — два переходи. Ділимо: $3\text{ кг}:0,1=30$ кг кроликів; $30:0,1=300$ кг трави = 300 000 г. Площа: $300000\text{ г}:300{\text{ г/м}}^2=1000$ м².

Відповідь: 1 000 м². Дистрактори: 100 м² — пропущено перехід; 10 000 м² — зайвий перехід; 10 м² — помилка в одиницях.

• Вважають, що енергія в екосистемі циркулює так само, як речовини. Насправді речовини рухаються по колу (колообіг), а енергія проходить одним напрямком і на виході розсіюється як тепло.

• Вважають піраміди чисел і біомаси завжди прямими. Обернутися не може лише піраміда енергії. Піраміди чисел і біомаси бувають обернені (дуб → гусениці, планктон).

• Плутають біомасу (запас у певний момент) і продукцію (приріст за час). Через це не розуміють, чому піраміда біомаси планктону може бути оберненою: біомаса мала, а продукція висока.

• Рахують переходи за кількістю ланок. Від першої до четвертої ланки — три переходи, а не чотири. Переходів завжди на один менше, ніж ланок.

• Механічно беруть 10 %, коли умова дає іншу частку переходу. Частку переходу завжди бери з умови — вона може бути 5 %, 15 %, 20 % тощо.

• У зворотній задачі множать на частку переходу замість ділення. Якщо питають «скільки потрібно їжі», діли на частку переходу стільки разів, скільки переходів.

Тема «Перетворення енергії в екосистемах, трофічна структура, екологічні піраміди» належить до теми 5.2 «Екосистеми» (розділ 5 програми НМТ з біології). Вимоги програми: знати шляхи асиміляції, передачі й розсіювання енергії в ланцюгах живлення та складати схеми перенесення речовин і енергії.

Довідкових матеріалів на НМТ з біології немає. Усі числові дані — частку переходу, продуктивність, масу — дає умова завдання. Наприклад, у демоваріанті 2026 року завдання № 20 (тема 4.9) подавало дані для розрахунку в таблиці.

Форми завдань, у яких може трапитися ця тема:

• вибір однієї відповіді з чотирьох (завдання 1–24, 0 або 1 бал) — зокрема підтип «два твердження», де треба оцінити правильність двох тверджень;

• логічні пари (завдання 25–28, до 4 балів) — наприклад, установити відповідність між поняттям і його означенням.

Стратегія розв’язання розрахункових задач: запиши ланцюг живлення, познач стрілками переходи між рівнями, порахуй кількість переходів і лише потім множ або діли. На весь тест з біології орієнтовно 60 хвилин.

• Продуценти засвоюють лише малу частку сонячної енергії (близько 1 %) і запасають її в хімічних зв’язках органічних речовин.

• На кожному трофічному рівні більша частина енергії йде на дихання й розсіюється як тепло; лише невелика частка переходить на наступний рівень.

• Піраміда енергії завжди пряма. Піраміди чисел і біомаси бувають обернені (дуб → гусениці, планктон в океані).

• Речовини в екосистемі циркулюють (колообіг), а енергія проходить одним напрямком — від Сонця через продуцентів і консументів у довкілля як тепло.

• Частку переходу для розрахунків бери лише з умови — не використовуй 10 % автоматично.

• Переходів завжди на один менше, ніж ланок ланцюга живлення.