Материал: 3164

16

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 4

Экологические системы. Динамика экосистем Энергетика экосистем

Экосистема является основным понятием экологии. Экосистемой называют совокупность продуцентов, консументов и детритофагов (редуцентов), взаимодействующих друг с другом и с окружающей их средой посредством обмена веществом, энергией и информацией таким образом, что эта единая система сохраняет устойчивость в течение продолжительного времени. Для естественной экосистемы характерны три признака:

1)экосистема обязательно представляет собой совокупность живых и неживых компонентов;

2)в рамках экосистемы осуществляется полный цикл, начиная с создания органического вещества и заканчивая его разложением на неорганические составляющие;

3)экосистема сохраняет устойчивость в течение некоторого времени, что обеспечивается определенной структурой биотических и абиотических компонентов.

Примерами природных экосистем являются: озеро, лес, пустыня, тундра, суша, океан, биосфера. Более простые экосистемы входят в состав более сложных. При этом реализуется иерархия организации систем, в данном случае экологических.

Экосистема основана на единстве живого и неживого вещества. Суть этого единства проявляется в следующем. Из элементов неживой природы,

главным образом молекул CO2 и H2O, под воздействием энергии солнца растения синтезируют органические вещества, составляющие все живое на планете. Процесс создания органического вещества в природе происходит одновременно с противоположным процессом – потреблением и разложением этого вещества вновь на исходные неорганические соединения.

Кроме растений продуцировать органическое вещество могут некоторые бактерии. Они создают свои ткани, запасая в них, как и растения, потенциальную энергию из углекислого газа без участия солнечной энергии. Вместо нее они используют энергию, которая образуется при окислении неорганических соединений, например, аммиака, железа и особенно серы (в глубоких океанических впадинах, куда не проникает солнечный свет, но где в изобилии скапливается сероводород, обнаружены уникальные экосистемы). Эти организмы называются хемосинтетиками.

Растения и хемосинтетики создают органическое вещество из неорганических составляющих с помощью энергии окружающей среды. Их называют продуцентами или автотрофами.

Виды, потребляющие созданную продуцентами органику как источник вещества и энергии для своей жизнедеятельности, называются гетеротрофами или консументами. Животные, питающиеся непосредственно продуцентами, называются первичными консументами или консументами первого порядка. Их самих употребляют в пищу вторичные консументы.

17

Первичные консументы, питающиеся только растениями, называются растительноядными или фитофагами.

Консументы второго и более высоких порядков - плотоядные. Виды, употребляющие в пищу как растения, так и животных, относятся к всеядным, например, человек.

Мертвые растительные и животные остатки, например опавшие листья, трупы животных, продукты систем выделения, называются детритом.

Организмы, специализирующиеся на питании детритом, называются детритофагами. Примером могут служить грифы, шакалы, черви, раки, термиты, муравьи и т.п. Как и в случае консументов, различают первичных детритофагов, питающихся непосредственно детритом, вторичных и т. п.

Значительная часть детрита в экосистеме в своем исходном виде не поедается животными, а гниет и разлагается в процессе питания ими грибов и бактерий. Поскольку роль грибов и бактерий столь специфична, их обычно выделяют в особую группу детритофагов и называют редуцентами.

Редуценты замыкают биогеохимический круговорот веществ, разлагая органику на исходные неорганические составляющие - углекислый газ и воду.

Совокупность живых организмов, составляющих структурную основу, экосистемы представляют отдельные виды, популяции и биоценозы.

Сети питания состоят из множества коротких рядов, в которых организмы передают друг другу вещество и энергию, сконцентрированные зелеными растениями. Такие ряды, в которых каждый предыдущий вид служит пищей последующему, называют цепями питания, или трофическими цепями. Отдельные звенья цепей питания называют трофическими уровнями.

Цепи питания всегда начинаются с растений или их остатков, прошедших через кишечники животных. Это первый трофический уровень. Их потребители представляют второй трофический уровень и т. д. Примерами цепей питания могут служить ряды: растения – гусеницы и бабочки-имаго – насекомоядные птицы – хищные птицы; растительный опад – дождевые черви – землеройки– горностаи; коровий помет – личинки мух – скворцы – ястребы-перепелятники.

Многие виды могут входить в разные цепи питания. Например, медведи питаются и животной, и растительной пищей, и падалью. Различают цепи выедания (начинаются с живых растений) и цепи разложения (начинаются с мертвого растительного опада или помета животных). Цепи питания в природе сложно переплетены.

В конкретных цепях питания можно проследить и рассчитать передачу той энергии, которая заключается в растительной пище. Растения связывают в ходе фотосинтеза в среднем лишь около 1 % энергии света. Животное, съевшее растение, получает запасенную им энергию не полностью. Часть пищи не переваривается и выделяется в виде экскрементов. Обычно усваивается от 20 до 60% растительного корма. Усвоенная энергия идет на поддержание жизнедеятельности животного. Работа клеток и органов сопровождается выделением тепла, поэтому значительная доля энергии пищи вскоре рассеивается в окружающее пространство. Лишь небольшая часть усвоенной

18

пищи идет на рост, т. е. на построение новых тканей, на запасы в виде отложения жиров. У молодых эта доля несколько больше, чем у взрослых.

Следовательно, уже на первом этапе происходит значительная потеря энергии из пищевой цепи. Хищник, съевший растительноядное животное, представляет третий трофический уровень. Он получает только ту энергию из накопленной растением, которая задержалась в теле его жертвы в виде прироста.

Подсчитано, что на каждом этапе передачи вещества и энергии по пищевой цепи теряется примерно 90%, и только около одной десятой доли переходит к очередному потребителю. Это правило передачи энергии в пищевых связях организмов называют правилом десяти процентов.

Представителям четвертого трофического уровня (например, хищнику, поедающему другого хищника) достанется только около одной тысячной доли той энергии, усвоенной растением, с которого начиналась пищевая цепь. Поэтому отдельные цепи питания в природе не могут иметь слишком много звеньев, энергия в них быстро иссякает.

Для человека энергетически выгоднее растительное питание, а наиболее дорого – использование в пищу хищных видов. Но одна растительная пища для людей недостаточно полноценна, так как подавляющее большинство растений не обеспечивает людей некоторыми незаменимыми аминокислотами, входящими в состав животных белков. Производство вторичной продукции через выращивание животных, а также добыча диких видов (в основном путем рыболовства) – очень важное условие благополучия общества. Одна из самых злободневных для современного человечества проблем – это так называемое белковое голодание, недостаток животной пищи в рационах людей во многих районах мира.

Задание № 1. В таблице, представленной ниже, показано несоответствие между типами взаимоотношений и соответствующим им понятиям. Определите типы взаимодействий организмов и дайте терминам соответствующие определения, используя сведения таблицы.

Выберите пары живых организмов из предлагаемого ниже перечня, соответствующие одному из типов биотических отношений: карась, муха,

клубеньковые азотфиксирующие бактерии, цапля, лев, человек, дизентерийная амеба, береза, рыба-лоцман, акула, горох, рак-отшельник, росянка, щука, подберезовик, муравей, заяц-беляк, водные бактерии, актиния, тля, шмель, пшеница, бодяг полевой, лосось, гиена, заяц-русак, аскарида, инфузория, клевер, лось, медведь, синица.

В таблицу впишите примеры живых организмов, характеризующих тот или иной тип биотических взаимоотношений.

Задание № 2. Построить трофические цепи в наземных природных сообществах и определить трофические уровни, если дано:

Сообщество А. Растения: горец птичий, клевер луговой, ковыль. Животные: суслик, горностай, сова

Сообщество В. Растения: люцерна хмелевидная, мятлик луговой, резеда желтая, тимофеевка луговая, душистый колосок. Животные: кузнечик, мышь, заяц, ящерица, змея, ястреб.

Задание № 3. Решите задачу: насекомоядные птицы весом 10-30 г. (синицы, воробьи, лазоревки) съедают за день до 30% от собственной массы. Сколько пищи за лето съедает синица весом 20 г.?

Задание № 4. Вставьте пропущенные слова:

Комплекс совместно обитающих видов и связанных между собой называют ___________. В его состав входят виды – производящие органические вещества, использующие компоненты неживой природы и являющиеся связующим звеном между живой и неживой природой, которые называют _________, а также организмы, потребляющие органическое вещество и перерабатывающие его в новые формы. Эти организмы составляют группу

__________, они представлены в основном видами, относящимися к животному миру. Замыкают круговорот веществ в системе организмы, которые потребляют органическое вещество и полностью разлагают его до минеральных

20

соединений. Эти организмы называют _________. Передача энергии, заключенной в химических связях органических веществ – пище осуществляется по _________________.

В биоценозах различают виды, которые в наибольшей степени формируют характерную для сообщества среду, их называют________ .

Единый природный комплекс, который выступает, как функциональное целое и образован живыми организмами и средой их обитания называют

_________. Экосистемы, которые обмениваются с соседними энергией, но не веществом, называют ___________. Экосистему земли в целом называют ____.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 5

Биосфера Термин биосфера был предложен в 1875 г. австрийским геологом Э.

Зюссом. А в 1926 г. В. И. Вернадский создал учение о биосфере, как активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в том числе и человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и значения. И сейчас, вслед за Вернадским, биосферой называют область активной жизни, оболочку Земли, населенную живыми организмами, охватывающую нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Вопрос о вертикальных границах биосферы решается неоднозначно. Наиболее насыщен живыми организмами только нижний слой атмосферы - менее 100 метров над землей, но птица кондор способна подняться на высоту 7 км, а токи воздуха уносят микроорганизмы, бактерии, споры грибов вверх до 10 км. И, принимая во внимание принципиальную возможность существования живых существ, верхнюю границу биосферы проводят на высоте от 20-25 км (озоновый слой) до 30 км; нижнюю от нескольких сот метров (зона гипергенеза) до нескольких километров (где встречаются еще анаэробные бактерии), а в Мировом океане – до самых глубоких впадин. Такое понимание термина биосфера близко к понятию географическая оболочка. При более узкой трактовке этого термина, биосфера – это совокупность всех живых организмов, населяющих географическую оболочку, то есть органический мир или живое вещество. Живые организмы и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя динамические системы глобального, регионального и локального уровней. Видовой состав растений, произрастающих на определенной территории, называется флорой; растительность же – это растительные сообщества (фитоценозы) определенной территории или Земли в целом. Аналогично, видовой состав животных – называют фауной, а всех животных, обитающих на какой-либо территории – животным миром.

Биосфера, как особая оболочка Земли сформировалась в процессе эволюции. Миллиарды лет геологической истории увеличивалось разнообразие живых организмов, усложнялась их организация, возрастала их общая масса и