Потоки веществ и энергии в экосистеме. Продуктивность сообщества - ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ

Цели: сформировать знания о потоке веществ и энергии в экосистеме, правилах экологических пирамид (массы энергии, численности); овладеть понятиями биологической продуктивности; способствовать формированию не только знаний, но и убеждений учащихся в необходимости сохранения ценности и устойчивости экосистем; продолжить формирование умений работать с таблицами, текстом учебника, анализировать и формулировать выводы.

Оборудование: карточки-задания для проверки знаний; схема “Поток энергии через пастбищную пищевую систему”, схемы экологических пирамид.

Ход урока

I. Организационный момент

На доске:

Мы об этом не думаем, но все, что ходит, двигается, живет на нашей планете, есть дитя Солнца.

К. Фиаммарион

II. Проверка и актуализация знаний

1. Работа по карточкам ((См. приложение 2), карточки № 1-2).

2. Фронтальная работа с классом ((См. приложение 2), карточка №3).

III. Изучение новой темы

1. Рассказ учителя.

Чтобы ответить на вопрос о причинах небольшой длины пищевых цепей, нужно рассмотреть поток энергии в цепях питания.

Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот веществ в экосистемах возможны только за счет постоянного притока энергии. В конечном итоге вся жизнь на Земле существует за счет энергии солнечного излучения, которая переводится фотосинтезирующими организмами в энергию химических связей органических соединений. Растения связывают в ходе фотосинтеза в среднем лишь около 1% энергии света. Животное, съевшее растение получает запасенную им энергию не полностью. Кроме этого, часть пищи не переваривается и выделяется в виде экскрементов. Обычно усваивается от 20 до 60% растительного корма. Животные, как и растения, теряют часть энергии при дыхании. Энергия, оставшаяся после потерь, связанных с процессами дыхания, пищеварения и выделения, идет на рост, поддержание жизнедеятельности и размножение. Следовательно, уже на первом этапе происходит значительная потеря энергии их 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.

Энергия, теряющаяся при дыхании, не передается другим организмам. Энергия же, заключенная в фекалиях (экскрементах) и отходах жизнедеятельности, передается детритофагам (мелким организмам, питающимся кусочками частично разложившегося материала — детритам) и редуцентам и, таким образом, не теряется для экосистемы.

Таким образом, ошибочным является мнение о том, что энергия в пищевых сетях может долго мигрировать от одного организма к другому. На самом деле путь каждой конкретной порции энергии, накопленной зелеными растениями, короток. По грубым подсчетам, потери энергии при переходе с одного трофического уровня на другой (более высокий) составляют около 90%. Поэтому запас энергии, накопленный зелеными растениями в целях питания, стремительно иссякает. Исходя из вышесказанного, понятно, почему в природе пищевая цепь редко превышает 6—7 звеньев и обычно состоит из 4—5.

Потерянная в цепях питания энергия может быть восполнена только поступлением новой ее порции. Поэтому в экосистемах не может быть круговорота энергии, аналогичного круговороту веществ. Экосистема функционирует только за счет направленного потока энергии, постоянного поступления ее извне в виде солнечного излучения, или готовых органических веществ.

Трофические цепи, в которых первый трофический уровень занимают зеленые растения (фотомитетики), второй — пастбищные животные (в широком смысле, все организмы, питающиеся растениями) и третий — хищники, называются пастбищными или цепями выедания, или цепями потребления (растение → растительноядное животное → хищник).

Цепи, которые начинаются с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных, называются детритными цепями, или цепями разложения (детрит → детритофаг — хищник).

2. Закрепление изученного материала.

Найдите в карточке № 3 примеры пастбищной и детритной цепей.

— Органическое вещество, создаваемое в экосистемах в единицу времени (год, месяц, сутки и т.п.), называют биологической продукцией. Суммарная масса тел организмов определенной группы или всего сообщества в целом называется биомассой. Биологическая продукция экосистем — это скорость создания в них биомассы, а продуктивность — способность к созданию (продуцированию) новой биомассы.

— Изучая продуктивность экосистем, мы имеет дело с потоком энергии, проходящей через ту или иную экосистему.

— Рассмотрим схему потока энергии через пастбищную пищевую цепь (см. приложение I).

Первичная продукция — скорость накопления энергии первичными продуцентами в форме органического вещества, которое может быть использовано в пищу.

Валовая первичная продукция — скорость, с которой растения накапливают химическую энергию.

Чистая первичная продукция — скорость накопления органического вещества за вычетом энергии, которая расходуется растениями на дыхание. Это энергия, которую могут использовать организмы следующих трофических уровней.

Вторичная продукция — количество органического вещества, накопленного гетеротрофными организмами.

Комментарии учителя. На схеме ясно показано, что в каждом звене пищевой цепи часть энергии теряется. Отсюда очевидно, что длина пищевой цепи лимитируется (ограничивается) размерами этих потерь. Отношение количества световой энергии, поглощаемой растениями, к чистой первичной продукции очень велико. Последующие переносы энергии, по меньшей мере, в десять раз эффективнее чем первоначальный перенос. Средняя эффективность переноса энергии от растений к травоядным животным составляет около 10%, а от животных к животному — около 20%. В целом травоядные менее эффективно усваивают пищу, чем хищники. Это связано с тем, что растения содержат большое количество целлюлозы, а часто и древесины, которые плохо перевариваются и поэтому не могут служить источником энергии для большинства травоядных.

Детритные цепи сложнее, чем пастбищные, и менее изучены. Роль их с точки зрения потока энергии столь же велика, а часто и более значительна, чем роль пастбищных цепей. В лесной экосистеме большая часть первичной продукции поступает в детритные цепи, а не в пастбищные. В морских же экосистемах и на интенсивно используемых пастбищах больше половины первичной продукции может поступать в пастбищную пищевую цепь.

Знание законов продуктивности экосистем, возможность количественного учета потока энергии имеют важное практическое значение.

Одна из причин, которые побуждают изучать поток энергии, проходящий через экосистему, — это возможность применения полученных знаний для удовлетворения потребности человека в пище и энергии.

Научный анализ позволяет оценивать традиционные методы агротехники сельскохозяйственных растений и вносить усовершенствования с целью повышения их эффективности.

При интенсивном земледелии продуктивность полей может приближаться к максимальной, хотя человеку приходится вкладывать в это много дополнительных средств.

Поскольку на каждом трофическом уровне происходит потеря энергии, ясно, что для всеядных организмов (в том числе и для человека) наиболее эффективный способ извлечения энергии из экосистемы — потребление растительной пищи, а наиболее дорогой — использование в пищу хищных видов. Так, по энергии, затраченной на рост, 1 кг окуня или щуки обходится природе в 7 раз дороже, чем 1 кг говяжьего мяса. Поэтому плотоядные животные разводятся людьми в редких случаях, например, в пушном звероводстве. Широкое одомашнивание нашими предками таких видов, как свиньи и куры, не случайно. Они характеризуются высоким коэффициентом использования энергии на рост, то есть перевода пищи в собственную биомассу (они способны усваивать не 10% энергии, а больше — до 20%, поэтому их выгодно разводить).

Правила экологических пирамид

Энергетические отношения в экосистемах принято изображать графически в виде экологических пирамид.

Пирамида чисел (численности) отражает соотношение общей численности в сообществе организмов, образующих трофические уровни. Количество организмов на каждом трофическом уровне обозначают прямоугольником, длина каждого пропорциональна их численности.

Пример:

Экологи в шутку подсчитали, что для того, чтобы прокормить в течение года мальчика весом в 45 кг достаточно четырех с половиной телят общим весом в 1035 кг, а для них — 20 млн растений люцерны с биомассой 8,2 т.

Задание

Постройте пирамиду чисел, используя этот пример.

Используя данные примера, можно построить и пирамиду биомассы, в которой учитывается суммарная масса организмов (биомасса) каждого трофического уровня.

Пирамида биомассы в случае цепи хищников имеет обычно форму треугольника с вершиной, обращенной вверх — устойчивая пирамида с широким основанием.

Для океана, как правило, такая закономерность не характерна. Только во время весны биомасса фитопланктона превышает биомассу зоопланктона. Другие же периоды действует обратное соотношение, на высших трофических уровнях преобладает тенденция к накоплению биомассы.

Пирамида энергии (или биопродукции) отражает законы передачи энергии в целях питания и всегда имеет вид треугольника с вершиной, обращенной вверх.

Приведем пример (продолжим пример с мальчиком, телятами и люцерной). Энергия, заключенная в люцерне массой 8,2 тонн, составляет 14,9 млн калорий, в телятах (весом в 1035 кг) содержится 1,19 млн калорий, а в мальчике остается 8300 (мальчик ест мясо, но не кости, шкуру или шерсть, которые также содержат связанную энергию).

Построим пирамиду.

К основанию пирамиды можно добавить еще один прямоугольник, отображающий поступление солнечной энергии.

— Может ли пирамида энергии быть перевернутой (как в некоторых случаях пирамида чисел и пирамид биомассы)? (Нет, так как при переходе с одного уровня на другой происходит потеря энергии. В любой цепи не вея пища используется на рост, большая часть расходуется на дыхание, размножение, движение, поддержание температуры своего тела.)

IV. Рефлексия

Учащиеся формулируют главные положения темы:

— Любой уровень биологической организации для длительного существования нуждается в обмене веществ с окружающей средой.

— В экосистеме (биогеоценозе) постоянно происходит перенос вещества через пищевые цепи.

— 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”.

— Экологические пирамиды (чисел, биомассы, энергии) выражают энергетические отношения в экосистемах.

— Количественный учет потока энергии, знание законов продуктивности экосистем имеют важное практическое значение. Домашнее задание

По учебнику А.А. Каменского, §5.3, 5.4, термины, вопросы после параграфа;

по учебнику И.Н. Пономаревой, §57, термины, вопросы после параграфа.

Задание.

Зная “Правило десяти процентов”, рассчитайте, сколько нужно травы, чтобы вырос один орел весом 5 кг (пищевая цепь: трава — заяц — орел).

Условно принимайте, что на каждом трофическом уровне всегда поедаются только представители предыдущего уровня.

(Ответ: 500 кг.)