Потоки вещества и энергии в экосистеме

Потоки вещества и энергии в экосистеме

Потоки вещества и энергии в экосистеме

Поток веществаперемещение вещества в форме химических элементов и их соединений от продуцентов к редуцентам (через консументы или без них).

Поток энергиипереход энергии в виде химических связей органических соединений (пищи) по цепям питания от одного трофического уровня к другому (более высокому).

Живые организмы в биоценозах тесно связаны не только друг с другом, но и с неживой природой через вещество и энергию. Протекающие через живые организмы потоки вещества и энергии в процессе обмена веществ весьма велики. Человек, например, за свою жизнь потребляет десятки тонн пищи и воды, тысячи кубометров воздуха.

Чрезвычайно высокая интенсивность потоков вещества из неорганической природы в живые тела давно привела бы к полному исчерпанию запасов необходимых для жизни соединений, т. е. биогенных элементов. Но этого не происходит, и жизнь не прекращается, так как указанные элементы постоянно возвращаются в окружающую среду.

И происходит это благодаря биоценозам, в которых в результате пищевых отношений между видами синтезированные растениями сложные органические вещества превращаются, в конце концов, в такие простые соединения, как диоксид углерода, вода, ряд элементов, которые могут быть снова использованы растениями в процессе фотосинтеза.

Так возникает биологический круговорот вещества (см. разд. 2.6.2). Следовательно, биоценоз, будучи и сам по себе сложной системой живых организмов, является частью еще более сложной системы.

В последнюю помимо живых организмов входит и их неживое окружение, которое содержит различные вещества и энергию, необходимые для развития и обеспечения жизнедеятельности.

Исследованиями ученых установлено, что в наземных экосистемах только незначительная часть биомассы, потребленной животными, используется для создания собственной массы. Эта величина для большинства животных не превышает 10%.

Таким образом, если заяц съел 10 кг растительной массы, то за счет этого его собственная масса увеличится только на 1 кг, а, поедая 1 кг зайчатины, лисица увеличивает свою массу только на 100 г, т. е. на 0,01 от биомассы растений, съеденных зайцем.

Если изобразить биомассы растений, зайца и лисицы графически, то мы получим так называемую пирамиду биомасс (рис.3).

Коралловый Залежь Пелагиаль океана

Рис. 3. Пирамиды биомассы некоторых сообществ (по Ф. Дре, 1976 г.):

П – продуценты, РК – растительноядные консументы, ПК – плотоядные консументы; Ф – фитопланктон, З – зоопланктон (крайняя справа пирамида биомассы имеет перевернутый вид)

Всем экосистемам отвечают определенные соотношения первичной и вторичной продукции, называемые правилом пирамиды продукции: на каждом предыдущем трофическом уровне количество биомассы, создаваемой за единицу времени, больше, чем на последующем.

Например, масса всех трав, выросших за год в степи, значительно больше, чем годовой прирост всех растительноядных животных, а прирост хищников меньше, чем растительноядных животных.

В тех трофических цепях, где передача происходит в основном через связи «хищник-жертва», справедливо правило пирамиды чисел:общее число особей, которые участвуют в цепях питания, с каждым последующим звеном уменьшается.

Поясним это правило. Хищник обычно крупнее своих жертв и для поддержания собственной биомассы ему нужно несколько или много жертв. Однако бывают случаи, когда более мелкие хищники живут за счет групповой охоты на крупных животных.

Подчеркнем, что из правила пирамиды биологической продукции нет исключений, потому что оно отражает законы передачи энергии в цепях питания.

Куда деваются остальные 90% съеденной биомассы? Чтобы разобраться в этом, рассмотрим энергетическую сторону процессов, происходящих в пищевых цепях.

Как универсальное явление природы, односторонний приток энергии обусловлен действием законов термодинамики. Согласно первомуиз них: энергия может переходить из одной формы (энергии света) в другую (потенциальную энергию пищи), но она никогда не создается вновь и не исчезает бесследно.

Согласно второму закону термодинамики не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потери некоторой ее части. Поэтому не может быть превращений, например, пищи в вещество, из которого состоит тело организма, идущих со 100 %-ной эффективностью.

Таким образом, функционирование всех экосистем определяется постоянным притоком энергии, которая необходима всем организмам для поддержания их существования и самовоспроизведения.

Сначала необходимо разобраться в сущности процесса фотосинтеза и окисления органических веществ.

Известно, что в процессе фотосинтеза в хлорофилловых зернах клеток листьев происходит образование органических веществ из неорганических соединений – воды и углекислого газа.

Процесс этот эндотермический, т. е. происходит с поглощением большого количества энергии, которая поступает в растения в виде видимых лучей Солнца. Поглощенная энергия аккумулируется в синтезированных соединениях в другой форме – в форме энергии химических связей.

Процесс фотосинтеза выражается в общем виде формулой:

6СО2 + 6Н2О + 2831кДж С6Н12О6 + 6О2

При разложении органических соединений на более простые вещества аккумулированная энергия освобождается и выходит в виде тепла.

В организмах живых существ, как и при горении, сложные органические вещества подвергаются окислению, а выделившаяся при этом энергия тратится на движение, размножение, поддержание нормальной температуры тела и т.

д., в результате, она излучается в окружающее пространство в виде тепловых (инфракрасных) лучей. Поскольку инфракрасные лучи не улавливаются растениями, то эта энергия уходит безвозвратно в мировое пространство.

В пищевых цепях энергия переносится вместе с биомассой от одного звена к другому, и в каждом звене большая часть ее теряется в виде теплового излучения. При этом в каждом звене в среднем уходит около 90% всей энергии и только 10% задерживается в организме в виде химических связей вновь синтезированных органических веществ.

Указанное соотношение в передаче энергии в пищевых связях организмов называют «правилом десяти процентов» (принцип Линдемана). Например, количество энергии, которая доходит до третичных плотоядных (пятый трофический уровень), составляет лишь около 10-4 энергии, поглощенной продуцентами.

Тем самым объясняется ограниченное количество (4–6) звеньев (уровней) в пищевой цепи независимо от сложности видового состава биоценоза.

Рассматривая поток энергии в экосистемах, легко понять также, почему с повышением трофического уровня биомасса снижается.

Пирамида энергии более точно отображает трофические связи организмов, поскольку она характеризует скорость возобновления биомасс.

На каждом уровне пирамида энергии отражает удельное количество энергии (на единицу площади или объема), прошедшей через предыдущий трофический уровень за данный отрезок времени.

Пирамиды потоков энергии никогда не бывают «перевернутыми»: следующий трофический уровень может «пропустить через себя» лишь часть энергии, усвоенной предыдущим уровнем.

Растительноядные животные поедают не всю биомассу растений. Несъедобная часть отмирает и поступает в почву в виде опада. В почву также поступают трупы животных. В общей сложности вместе с опадом и трупами животных в почву переходит более 90% запасов энергии, аккумулированной в органических веществах.

Опад и трупы животных, а также их экскременты перерабатываются целой «армадой» бактерий, грибов, почвенных беспозвоночных животных. Поскольку, как мы видели, в опад переходит большая часть биомассы, то и роль организмов-редуцентов в жизни биосферы огромна.

Общими усилиями всех этих организмов остатки растений и животных полностью перерабатываются, сложные, богатые энергией органические вещества при этом расщепляются до молекул СО2, Н2О и некоторых других простых веществ, содержащих мало связанной энергии. Они поступают затем в почву, атмосферу, воду и могут быть снова использованы растениями.

Подчеркнем тот факт, что в отличие от веществ, которые постоянно циркулируют по разным частям экосистемы и всегда могут вновь участвовать в круговороте, поступившая энергия может быть использована только один раз.

Энергию и круговорот веществ в жизненных процессах биосферы можно сравнить с водяным колесом и потоком воды.

Колесо символизирует запасы вещества в биосфере: оно непрерывно крутится, оставаясь на месте и не изменяясь. То же самое происходит с веществом биосферы: не изменяясь количественно, оно находится в состоянии постоянного круговорота.

Но колесо само по себе не будет вращаться, необходим постоянный поток воды. Вода, раз совершив работу, уходит и повторно не возвращается к колесу. Стоит прекратиться потоку воды – колесо остановится. Поток энергии через биосферу играет точно такую же роль.

Он «крутит колесо» круговорота веществ и обеспечивает тем самым существование и развитие биосферы.

Изучение законов продуктивности экосистем, возможность количественного учета потока энергии чрезвычайно важны в практическом отношении, так как первичная продукция агроценозов и эксплуатируемых человеком природных сообществ – основной источник запасов пищи для человечества.

Точные расчеты потока энергии и масштабов продуктивности экосистем позволяют регулировать в них круговорот веществ таким образом, чтобы обеспечить наибольший выход необходимой для людей продукции. Наконец, очень важно хорошо представлять допустимые пределы изъятия растительной и животной биомассы из природных систем.

В противном случае может быть подорвана их продуктивность.



Источник: https://infopedia.su/10x41eb.html

Потоки веществ и энергии в биогеоценозе

Потоки вещества и энергии в экосистеме

В природе все живыеорганизмы связаны друг с другом различными связями.

Наиболее важнымивзаимосвязями живых организмов в природе, являются пищевые, которые строятся впищевые цепи, а они в свою очередь в пищевые сети.

Первыми в пищевой цепиявляются продуценты, то есть растения.

Продуцентами питаются консументы 1-го порядка ─ то естьтравоядные животные.

Которыми питаются консументы 2-го порядка ─ хищныеживотные.

Ими питаются консументы 3-го порядка ─ плотоядныеживотные.

А редуцентыразлагают органические вещества на минеральные компоненты, находящиеся напоследнем трофической уровне и завершают цепь питания. Они окончательновысвобождают энергию, связанную ранее продуцентами.

Положение, котороезанимает организм в пищевой цепи называется трофическим уровнем.

Трофические уровни можнопредставить в виде ступенек.

Виды, которые составляютодну ступеньку, объединяются не происхождением или внешним сходством, а типомпитания.

На 1м трофическом уровнерасполагаются автотрофы, которые синтезируют органические вещества изнеорганических.

На втором, третьем и четвёртомуровнях гетеротрофы, которые живут за счёт органического вещества,созданного автотрофами.

А на пятом трофическомуровне располагаются как вы знаете организмы которые питаются минеральнымивеществами. Их называют сапротрофы.

В экосистеме обычнобывает 4─5 трофических уровней и редко больше 6. Частично это обусловленотем, что на каждом из уровней часть вещества и энергии теряется.

Все организмы состоят изклеток, а для поддержания жизнедеятельности, клеткам организма необходимополучать органические и неорганические вещества, а также энергию.

Основным источникомэнергии для клетки являются поступившие (органические вещества, такие как:белки, жиры и углеводы), которые распадаются до более простых веществ.  

Поступившие углеводыпревращаются в глюкозу. Белки расщепляются до аминокислот. А жиры до глицеринаи жирных кислот.

Таким образом поступившиевещества расщепляются до более простых и окисляются кислородом в клеткахорганизма.

В результате этихпроцессов происходит выделение энергии. Которая и необходима живым организмамдля жизнедеятельности.

Почти все окислительные реакциипроисходят в митохондриях клетки.

Высвобождаемая энергиязапасается в виде соединения — АТФ (аденозин трифосфорнойкислоты).

То есть в митохондрияхпроисходит окисление кислородом органических соединений, до углекислого газа иводы, и высвобождение энергии.

Данная энергия необходимадля протекания различных биохимических реакций организма.

Молекула АТФ состоит изазотистого основания – аденина, углевода рибозы, и трёхостатков фосфорной кислоты.

Два последних фосфатасоединены друг с другом и с остальной частью молекулы макроэргическимифосфатными связями. При разрыве которых выделяется энергия.

Энергия каждой связисоставляет 12000 калорий на 1 моль АТФ, что превышает энергию обычнойхимической связи.

Теперь вам стало понятнодля чего организмы питаются для того чтобы получить необходимую энергию.

Таким образомиорганическое вещество, и энергия передаются по цепям питания. То есть отрастения к травоядному животному – от него к хищному животному, и так далее.

Трофическую структурубиоценоза и экосистемы обычно изображают графическими моделями в видеэкологических пирамид.

Такие модели в 1927 г.разработал английский зоолог Чарлз Элтон.

Известный британскийэколог и зоолог, один из основателей популяционной экологии. Член Лондонскогокоролевского общества.

Экологические пирамиды— это графические модели (как правило, в виде треугольников), которые отражаютчисло особей (пирамида чисел), количество их биомассы (пирамида биомасс) или заключенной в них энергии (пирамида энергии) на каждомтрофическом уровне и указывающие на понижение всех показателей с повышениемтрофического уровня.

Итак, различают три типаэкологических пирамид.

Пирамида энергии,пирамида чисел(или численности),пирамидабиомасс.

Пирамида энергиипредставляет собой пирамиду, отражающую передачу энергии (которая содержится впище) от продуцентов – через ряд организмов, каждый из которых поедаетпредыдущего и съедается следующим.

Однако, энергия от одногоорганизма к другому переходит как мы уже сказали не в полном объёме.

В 1942 г. Американскийэколог Раймонд Линдеман, сформулировал закон пирамидыэнергии.

Который звучит так: «содного трофического уровня на другой через пищевые цепи переходит в среднемоколо 10% энергии, поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды».

Например, консументы 1-го порядка поедают растения и получают от нихэнергию, 90% из которой рассеивается в виде тепла и используется на нуждыорганизма. А 10% запасается в тканях.

Консументы 2-гопорядка поедая консументов 1-го порядка получают эти10 %, а запасают только 1% от полученной энергии (то есть десятую её часть); консументы 3-го порядка поедают консументов2-го порядка получают 1% энергии, и запасают 0,1 % солнечной энергии, связаннойрастениями.

На этом передача энергиине заканчивается. Далее продукты жизнедеятельности иотмершие тела как продуцентов, так и консументовстановятся источником энергии для редуцентов ─бактерий и грибов, которые разлагают (минерализируют)это органическое вещество и получают 0,01% энергии.

Давайте разберёмся почемуорганизмом следующих порядков достаётся только часть энергии, от всейполученной энергии съеденного организма.

Дело в том, что часть заключённойв пище энергии не усваивается и выводиться из организма с экскрементами.

Часть энергии как мы ужесказали, расходуется как материал для строительства тела самогоорганизма. 

Так же много энергиитратиться на работу, которую выполняет животное охотясь, перемещаясь, строяжилище.

А если говорить про целыетрофические урони. То не все организмы одного уровня съедаются организмамидругого. Таким образом, не вся энергия, которая была распределена междуорганизмами одного уровня перейдет к организмамследующего уровня. 

То есть, при перемещенииэнергии по пищевой цепи с одного трофического уровня на другой скорость еёпотока снижается.

Откуда же берут энергиюрастения?

От солнца, котороеявляется практически единственным источником энергии на Земле.

Солнечная энергияпоглощается фотосинтетическими пигментами (хлорофиллами), которые находятся вхлоропластах листа, и преобразовывается в энергию химических связей (в энергиюорганических веществ). Данный процесс называется фотосинтезом.

Пищевые отношения иэффективность передачи энергии в биотическом сообществе экосистемы изображаюткак вы уже поняли в виде ступенчатых экологических пирамид.

Рассмотрим пирамидучисленности и пирамиду биомассы.

В пирамидах численности(или чисел) подсчитывают организмов каждого трофического уровня.

В пирамидах биомассы,используют суммарную массу организмов на каждом трофическом уровне;

Высота пирамиды обычносоответствует длине пищевой цепи.

Пирамида численностиили чисел отражает численность (плотность) отдельных организмов на каждомтрофическом уровне.

Чем выше уровень, темниже численность составляющих ее организмов.

На первом уровнерастения, их численность во много раз больше чем, травоядных животных, атравоядных животных больше чем хищных.

Потому как, чтобыпрокормить одну лягушку необходимо некоторое количество кузнечиков. А чтобыпрокормить одну змею необходимо несколько лягушек и так далее.

Вместе с этим пирамидычисел могут быть перевёрнутыми. Примером, могут являться пищевые цепилеса.  Когда продуцентами являются деревья, а первичными консументами являются насекомые.

То есть на одном деревеможет быть множество насекомых. В таком случае количество первичных коносументов численно выше, чем число продуцентов. 

Для построения пирамидычисел необходимо сначала подсчитать особей разных видов в определённойместности, а затем распределить эти виды по трофическим уровням. Обычно врезультате получается постепенное убывание численности организмов каждоготрофического уровня при переходе от низшего уровня к высшему.

Количество особей наразных уровнях изображают в виде лежащих друг на друге прямоугольников, длинакоторых пропорциональна числу организмов на единице площади местообитания или вединице объёма (если экосистема водная).

Пирамида биомасс– это соотношение масс организмов разных трофических уровней. Соотношениебиомасс изображают графически, таким образом, что длина или площадьпрямоугольника, пропорциональна его массе.   

Обычно, общая массапродуцентов больше, чем биомасса каждого последующего звена. Если говорить оназемных экосистемах. Так общая масса коносументов1-го порядка больше, чем общая масса консументов 2-гопорядка.

  Потому что в любой трофической цепи не вся пища используется нарост особи, т.е.

на формирование биомассы (часть её расходуется наудовлетворение энергетических затрат организмов: дыхание, движение,размножение, поддержание температуры тела и т.д.).

Следовательно, в каждомпоследующем звене пищевой цепи происходит уменьшение биомассы.

Таким образом, чем вышетрофический уровень, тем ниже общая биомасса и численность, иэнергия составляющих её организмов.

Так, экологическиепирамиды дают представление об устойчивости сообщества.

Например, число деревьевв лесу определяет заключённую в них биомассу и энергию, микроклимат, а такжеколичество убежищ для многих насекомых и птиц.

Источник: https://videouroki.net/video/42-potoki-veshchestv-i-ehnergii-v-biogeocenoze.html

Потоки энергии и вещества в экосистемах. Обмен веществом и энергией в природе

Потоки вещества и энергии в экосистеме

Любая жизнь требует постоянного притока энергии и вещества. Энергия расходуется на осуществление основных жизненных реакций, вещество идет на построение тел организмов.

Существование природных экосистем сопровождается сложными процессами вещественно-энергетического обмена между живой и неживой природой.

Процессы зависят не только от состава биотических веществ, но и от физической среды.

Потоки энергии и вещества рассматриваются в экологии как передача энергии и вещества извне к автотрофам и далее по цепям питания от организмов одного трофического уровня к следующему.

Поток энергии в сообществе ― это переход энергии от организмов одного уровня к другому в форме химических связей органических соединений.

Поток вещества ― перемещение вещества в форме химических элементов и их соединений от продуцентов к редуцентам и далее через химические реакции, происходящие без участия живых организмов, вновь к продуцентам.

Поток вещества происходит по замкнутому циклу, поэтому его и называют круговоротом.

Поток вещества и поток энергии ― не тождественные понятия, хотя нередко для измерения потока вещества используются различные энергетические эквиваленты (калории, килокалории, джоули).

Принципиальное различие между потоками вещества и энергии в экосистеме заключается в том, что биогенные элементы (азот, углерод, фосфор и т.д.), составляющие органическое вещество, могут многократно участвовать в круговороте веществ, тогда как поток энергии однонаправлен и необратим.

Существование всех экосистем зависит от постоянного притока энергии, которая необходима всем организмам для поддержания их жизнедеятельности и самовоспроизведения.

Основным каналом переноса энергии в сообществе является пищевая цепь. По мере удаления от первичного продуцента поток энергии резко ослабевает ― количество энергии уменьшается.

Задание

Пользуясь правилом 10 %, рассчитайте долю энергии, поступающей на 4-й трофический уровень, при условии, что ее общее количество на первом уровне составляло 100 единиц.

Круговорот веществ и превращения энергии — необходимое условие существования любой экосистемы. Перенос веществ и энергии в цепях питания в экосистеме.

Экосистема может обеспечить круговорот вещества только в том случае, если включает необходимые для этого четыре составные части: запасы биогенных элементов, продуценты, консументы и редуценты

Рис. 1. Необходимые компоненты экосистемы

Эта структура составлена несколькими группами организмов, каждая из которых выполняет определенную работу в круговороте веществ.

Организмы, относящиеся к одному такому звену, образуют трофический уровень, а последовательные связи между трофическими уровнями образуют цепи питания, или трофические цепи.

В экосистему входят организмы, различаемые по способу питания – автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы (самопитающие) – организмы, образующие органическое вещество своего тела из неорганических веществ – в основном из углекислого газа и воды – посредством процессов фотосинтеза и хемосинтеза.

Фотосинтез осуществляют фотоавтотрофы – все хлорофиллоносные (зеленые) растения и микроорганизмы.

Хемосинтез наблюдается у некоторых почвенных и водных бактерий, которые используют в качестве источника энергии не солнечный свет, а ферментативное окисление ряда веществ – водорода, серы, сероводорода, аммиака, железа.

Гетеротрофы (питающиеся другими) – организмы, потребляющие готовое органическое вещество других организмов и продуктов их жизнедеятельности. Это все животные, грибы и большая часть бактерий.

В отличие от автотрофов-продуцентов гетеротрофы выступают как потребители и деструкторы (разрушители) органических веществ. В зависимости от источников питания и участия в деструкции они подразделяются на консументов и редуцентов.

Консументы потребители органического вещества организмов. К ним относятся:

· консументы I порядка – растительноядные животные (фитофаги), питающиеся живыми растениями (тля, кузнечик, гусь, овца, олень, слон);

· консументы II порядка – плотоядные животные (зоофаги), поедающие других животных, – различные хищники (хищные насекомые, насекомоядные и хищные птицы, хищные рептилии и звери), нападающие не только на фитофагов, но и других хищников.

Существует немало животных со смешанным питанием, потребляющих и растительную и животную пищу – плотоядно-растительноядные и всеядные.

Консументы I и II порядка занимают соответственно второй, третий, а иногда и следующий трофические уровни в экосистеме.

Редуценты бактерии и низшие грибы – завершают деструктивную работу консументов и сапрофагов, доводя разложение органики до ее полной минерализации и возвращая в среду экосистемы молекулярный азот, минеральные элементы и последние порции двуокиси углерода.

Устойчивость экосистем. Зависимость устойчивости экосистем от числа обитающих в них видов и длины цепей питания: чем больше видов, цепей питания, тем устойчивее экосистема от круговорота веществ.

Искусственная экосистема — созданная в результате деятельности человека. Примеры искусственных экосистем: парк, поле, сад, огород.

Отличия искусственной экосистемы от естественной:

— небольшое число видов (например, пшеница и некоторые виды сорных растений на пшеничном поле и связанные с ними животные);

— преобладание организмов одного или нескольких видов (пшеница в поле);

— короткие цепи питания из-за небольшого числа видов;

— незамкнутый круговорот веществ вследствие значительного выноса органических веществ и изъятия их из круговорота в виде урожая;

— невысокая устойчивость и неспособность к самостоятельному существованию без поддержки человека.

Date: 2015-08-06; view: 1382; Нарушение авторских прав

Источник: https://mydocx.ru/4-68841.html

Открытый урок «Потоки вещества и энергии в экосистеме

Потоки вещества и энергии в экосистеме

9 класс дата_____________

Тема урока «Потоки вещества и энергии в экосистеме.Пр. р. «Составление схем передачи веществ и энергии (цепи питания, экологические пирамиды)»»

Цель: формирование информационно-коммуникативной компетенции школьников через деятельностный подход в обучении.

Задачи:

  1. Закрепить понятия «биоценоз», «биогеоценоз», «экосистема»; сформировать знания о потоке веществ и энергии в экосистемах; рассмотреть вопрос о связях организмов в сообществах и формах отражения этих взаимосвязей (пищевые цепи, экологические пирамиды);

  2. Способствовать формированию не только знаний, но и убеждений учащихся в необходимости сохранения ценности и устойчивости экосистем;

  3. Продолжить формирование умений работать с текстом учебника, дополнительными источниками, анализировать и формулировать выводы; развивать навыки коллективной мыслительной деятельности учащихся.

Тип урока: комбинированный

Форма, методы: фронтальная беседа-рассуждение, групповая работа, элементы лекции с демонстрационным сопровождением

Оборудование, материалы:компьютер, проектор, презентация урока, рабочие тетради, карточки с заданиями, ЦОР, карточки с задачами.

План урока:

  1. Вступительное слово учителя: эпиграф урока

  2. Актуализация знаний

  3. Постановка проблемы урока. Тема. Цели, задачи урока.

  4. Изучение нового материала + Закрепление + повторение (практическая работа)

а. Связи организмов в биогеоцинозе, поток веществ и энергии в экоситемах.

б. Работа по карточкам-заданиям.

в. Учебный мозговой штурм – «Задача Ч. Дарвинв».

г. Экологические пирамиды-элемент лекции + презентация.

д. Практическая работа «Решение экологических задач»

  1. Информация о домашнем задании

  2. Рефлексия

Ход урока

  1. Эпиграф:Натуралистами открыты у паразитов паразиты,

И произвёл переполох тот факт, что блохи есть у блох.

И обнаружил микроскоп, что на клопе бывает клоп,

Питающийся паразитом, на нём другой,adinfinitum

Восемнадцатый век. Английский писатель Джонатан Свифт)

1.Подобрать определения к предложенным терминам «экосистема», «биоценоз», «биогеоценоз» и определите, кто и когда ввел их в науку (слайд- 2)

2.Групповая работа с ЦОР (биоценоз пустыни)

  1. Постановка проблемы урока: Каждый организм оставляет отходы своей жизнедеятельности. Вместе с тем в природе не накапливается «мусор» (обсуждениеи формулеровка вопроса темы)

Какие процессы обеспечивают регуляцию в экосистемах?

– Тема урока: «Потоки вещества и энергии в экосистеме»

4. Изучение нового материала + Закрепление + повторение (практическая работа)

а. Связи организмов в биогеоцинозе, поток веществ и энергии в экоситемах (элемент лекции).

Давайте вспомним, что означают термины: «автотрофы», «гетеротрофы», «продуценты», «консументы», «редуценты»

Единственный источник энергии на Земле – Солнце. Автотрофы (в основном, зелёные растения, сине-зелёные водоросли) путём фотосинтеза преобразуют энергию Солнца в энергию химических связей. Они становятся источником органических веществ для всех остальных организмов и «кормят» гетеротрофов.

В первую очередь, консументов 1-ого порядка (травоядных животных), те становятся пищей для консументов 2-ого порядка (хищников) и т.д. После смерти любой организм подвергается разложению благодаря деятельности грибов и микроорганизмов (деструкторов, или редуцентов).

Стрелки между группами организмов означают направление движения органического вещества, а значит, энергии, которая в нём заключена.

– Может ли энергия передаваться по замкнутому кругу? Что произойдёт, если Солнце перестанет существовать?

Отразить пищевые связи между организмами можно с помощью пищевой (трофической) цепи. Пищевая цепь — это последовательность организмов, в которой каждый из них съедает или разлагает другой. Каждое звено пищевой цепи называют трофическим уровнем.

б.Примеры пищевых цепей(работа в группах у доски):

Нектар ––>муха ––> паук ––> землеройка ––> сова.

Сок розового куста ––>тля ––> божья  коровка ––> паук ––> насекомоядная птица ––> хищная птица.

– Что объединяет эти цепи? (Они начинаются с автотрофов)

Листовая подстилка ––>дождевой червь ––> черный дрозд ––> ястреб-перепелятник.

Мертвое животное ––> личинки падальных мух ––> травяная лягушка ––>обыкновенный уж.

– Чем они принципиально отличаются от цепей первой группы?  (Они начинаются с мёртвой органики)

Прикрепляют на доске цепи питания и сравнивают: В чем различие между цепями питания?

ЦОР – Приведенные выше типы пищевых цепей начинаются с фотосинтезирующих организмов и носят название пастбищных (или цепей выедания).

Тип пищевых цепей, начинающихся с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных, относят к детритным пищевым цепям (цепям разложения).

б) Работа по карточкам-заданиям. На основе анализа текста постройте пищевую цепь, состоящую из организмов, упоминаемых в тексте.

в.Учебный мозговой штурм – «Задача Чарльза Дарвина»

Вы усвоили, как составляются пищевые цепи. А теперь я предлагаю закрепить материал в творческом виде. Вашему вниманию представляется логическая задача Чарльза Дарвина. Именно её он задал коллегам-учёным на заседании научного общества для того, чтобы проиллюстрировать, что всё в природе взаимосвязано:

Какая существует связь между числом старых дев, проживающих в Англии, и удоем коров (количеством молока, которое дают коровы)?

Ответ:Больше старых дев, больше одомашненных кошек, меньше истребляется мышей, больше разоряют мыши гнёзда шмелей на полях, меньше опыляется клевера, меньше качественного корма для коров, меньше молока.

Постройте пищевые цепи на основе текста решения задачи.

Коровы < --- Клевер ––>Шмели ––> Мыши ––> Кошки.

Из данных схем легко заключить, что клевер (продуценты) может являться пищей для нескольких животных. В природе, действительно, работают чаще не пищевые цепи, а пищевые сети, состоящие из нескольких цепей. Например (пример на слайде или ЦОР). Как вы думаете, какое это имеет значение? В случае исключения звена пищевой цепи она не распадается, а сохраняется в изменённом виде.

г. Экологические пирамиды – элемент лекции (на слайде)

Информационный недостаток любой пищевой цепи – это то, что она показывает схему пищевых взаимосвязей, но не отражает количественных характеристик организмов каждого звена. В связи с этим в 1927 году Чарльз Элтон предложил понятие пирамиды численности (пирамиды чисел).

Позже возникли понятия «пирамиды биомассы» и «пирамиды энергии».Основанием экологических пирамид служит уровень продуцентов, а последующие уровни питания образуют этажи и вершину пирамиды.

Каждый уровень изображают в виде прямоугольника, длина которого пропорциональна численному показателю уровня(работа с текстом учебника $ 5.3стр.159-160).

Известны три основных типа построения экологических пирамид:

1) пирамида чисел (пирамида Элтона), отражающая численность организмов на каждом уровне;
2) пирамида биомассы, характеризующая массу живого вещества (вес, калорийность и т. д.);
3) пирамида продукции (или энергии), показывающая изменение первичной продукции (или энергии) на последующих трофических уровнях.

Если взять за основу пищевую цепь (основание пирамиды): клевер ––> шмели ––> мыши ––> кошки, то пирамида численности будет выглядеть так… Для того, чтобы построить пирамиду биомассы, нужно взвесить эти организмы, или одного из них, а затем умножить их число на вес…Известно правило экологической пирамиды, согласно которому масса организмов каждого последующего трофического уровня всегда меньше продукции предыдущего трофического уровня в 10 раз, т.е… При построении пирамиды энергий основываются на законе пирамиды энергий Р.Линдемана, более известном как правило 10%, т.е… Для её построения нужно знать, сколько энергии заключает в себе каждый трофический уровень. Это требует сжигания организмов и определения их энергоёмкости с помощью специальной аппаратуры, что не всегда возможно.

Практическая работа «Решение экологических задач) (презентация).

Коллективная мыследеятельность – решение экологических задач.

Итак, вернемся к нашему эпиграфу. О чем говориться в нем?

5. Информация о домашнем задании

§ 5.3, тренировачный уровень- составить опорный конспект-на основе текста и доп. литературы; творческое задание – составить закрытый тест из 20 вопросов с ответами по изученной теме.

6. Рефлексия

– Что на уроке было главным? – Что было интересным? – Что вы узнали нового?

– Чему вы научились?

Источник: https://infourok.ru/otkritiy-urok-potoki-veschestva-i-energii-v-ekosistemepr-r-sostavlenie-shem-peredachi-veschestv-i-energii-cepi-pitaniya-ekologic-2132793.html

7. Потоки вещества и энергии в экосистеме

Потоки вещества и энергии в экосистеме

Правилоэкологической пирамиды.

Трофическуюструктуру экосистемы можно изобразитьграфически в виде экологической пирамиды,в основании которой лежит первый уровень.Эти пирамиды отражают законы расходованиябиомассы и энергии в пищевых цепях.Численное значениекаждой ступени такой пирамиды можетбыть выражено числом особей, их биомассойили накопленной в ней энергией.

Пищевыесети, возникающие в экосистеме, имеютструктуру, для которой характерноопределенное число организмов на каждомтрофическом уровне.

Замечено, что числоорганизмов прямо пропорциональноуменьшается при переходе с одноготрофического уровня на другой.Такая закономерность получила название«правилоэкологической пирамиды».

В данном случае рассмотрена пирамидачисел. Онаможет нарушаться, если мелкие хищникиживут благодаря групповой охоте накрупных животных.

Длякаждого трофического уровня характернасвоя биомасса– суммарная масса организмов какой-либогруппы.

Впищевых цепях биомасса организмов наразных трофических уровнях различна:биомасса продуцентов (первый трофическийуровень) значительно выше, чем биомассаконсументов – растительноядных животных(второй трофический уровень).

Биомассакаждого из последующих трофическихуровней пищевой цепи также прогрессивноуменьшается. Эта закономерность получиланазвание пирамидыбиомасс.

Аналогичнуюзакономерность можно выявить прирассмотрении передачи энергии потрофическим уровням, то есть в пирамидеэнергии (продукции).Количествоэнергии, расходуемой на поддержаниесобственной жизнедеятельности, в цепитрофических уровней растет, а продуктивностьпадает.

Растенияусваивают в процессе фотосинтеза лишьнезначительную часть солнечной энергии.Растительноядные животные, составляющиевторой трофический уровень, усваиваютлишь некоторую часть (20-60 %) от поглощенногокорма.

Усвоенная пища идет на поддержаниепроцессов жизнедеятельности организмовживотных и рост (например, на построениетканей, запасы в виде отложения жиров).

Организмытретьего трофического уровня (хищныеживотные) при поедании растительноядныхживотных вновь теряют большую частьзаключенной в пище энергии. Количествоэнергии на последующих трофическихуровнях вновь прогрессивно уменьшается.Результатом этих потерь энергии являетсянебольшое число (три-пять) трофическихуровней в пищевой цепи.

Потеряннаяв цепях питания энергия может бытьвосполнена только поступлением новыхее порций. Поэтому в экосистеме не можетбыть круговорота энергии, аналогичнокруговороту веществ. Экосистемы являютсяоткрытыми системами, нуждающимися впритоке солнечной энергии или готовыхзапасов органического вещества,т.о. передачаэнергии в экосистемах происходитсогласно известным законамтермодинамики:

1.Энергия может переходить из одной формыв другую, но никогда не создаётся вновьи не исчезает.

2.Не может быть ни одного процесса,связанного с превращением энергии, безпотери некоторой её части в виде тепла,т.е. нет преобразований энергии со 100%эффективностью.

Подсчитано,что с одноготрофического уровня на другой передаетсялишь около 10% энергии.Эта закономерность получила название“правилодесяти процентов”.

Таким образом,большая часть энергии в цепи питанияпри переходе с одного уровня на другойтеряется. К следующему звену в цепипитания поступает только та энергия,которая заключена в массе предыдущегопоедаемого звена.

Потери энергиисоставляют около 90% при каждом переходечерез трофическую цепь.

Например, еслиэнергия растительного организмасоставляет 1000 Дж, то при полном поеданииего травоядным животным в теле последнегоассимилируется всего 100 Дж, в теле хищника10 Дж, а если этот хищник будет съедендругим, то в его теле ассимилируетсятолько 1 Дж энергии, то есть 0,1%.

В результатеэнергия, накопленная зелеными растениямив цепях питания, стремительно иссякает.Поэтому пищевая цепь не может включатьболее 4 – 5 звеньев. Потерянная в цепяхпитания энергия может быть восполненатолько за счет поступления новых еепорций.

В экосистемах не может бытькруговорота энергии, подобно круговоротувеществ.

Жизнь и функционирование любойэкологической системы возможны толькопри односторонне направленном потокеэнергии в виде солнечного излученияили при притоке запасов готовогоорганического вещества.

Такимобразом, пирамида чисел отражает числоособей в каждом звене пищевой цепи.Пирамида биомасс отражает количествообразованного на каждом звене органическоговещества – его биомассу. Пирамидаэнергии показывает количество энергиина каждом трофическом уровне.

Снижение количествадоступной энергии на каждом последующемтрофическом уровне сопровождаетсяснижением биомассы и численности особей.Пирамиды биомассы и численностиорганизмов для данного биоценозаповторяют в общих чертах конфигурациюпирамиды продуктивности.

Графическиэкологическую пирамиду изображают ввиде нескольких прямоугольниководинаковой высоты, но разной длины.Длина прямоугольника уменьшается отнижнего к верхнему соответственноуменьшению продуктивности на последующихтрофических уровнях.

Нижний треугольниксамый большой по длине и соответствуетпервому трофическому уровню – продуцентам,второй – приблизительно в 10 раз меньшеи соответствует второму трофическомууровню – растительноядным животным,потребителям первого порядка и т.д.

Всетри правила пирамиды – продуктивности,биомассы и численности выражаютэнергетические отношения в экосистемах.При этом пирамида продуктивности имеетуниверсальный характер, а пирамидыбиомассы и численности проявляются всообществах с определенной трофическойструктурой.

Знаниезаконов продуктивности экосистем,возможность количественного учетапотока энергии имеют важное практическоезначение. Первичная продукция агроценозови эксплуатация человеком природныхсообществ – основной источник пищи длячеловека.

Важное значение имеет ивторичная продукция биоценозов,получаемая за счет промышленных исельскохозяйственных животных, какисточник животного белка.

Знание законовраспределения энергии, потоков энергиии вещества в биоценозах, закономерностейпродуктивности растений и животных,понимание пределов допустимого изъятиярастительной и животной биомассы изприродных систем позволяют правильностроить отношения в системе «общество— природа».

Источник: https://studfile.net/preview/3571348/page:5/

Потоки энергии и вещества в экосистемах

Потоки вещества и энергии в экосистеме

Любая жизнь требует постоянного притока энергии и вещества. Энергия расходуется на осуществление основных жизненных реакций, вещество идет на построение тел организмов.

Существование природных экосистем сопровождается сложными процессами вещественно-энергетического обмена между живой и неживой природой.

Эти процессы очень важны и зависят не только от состава биотических сообществ, но и от физической среды их обитания.

Поток энергии в сообществе это ее переход от организмов одного уровня к другому в форме химических связей органических соединений (пищи).

Поток (круговорот) вещества – перемещение вещества в форме химических элементов и их соединений от продуцентов к редуцентам и далее (через химические реакции, происходящие без участия живых организмов) вновь к продуцентам.

Круговорот вещества и поток энергии – не тождественные понятия, хотя нередко для измерения перемещения вещества используются различные энергетические эквиваленты (калории, килокалории, джоули).

Отчасти это объясняется тем, что на всех трофических уровнях, за исключением первого, энергия, необходимая для жизнедеятельности организмов, передается в форме вещества потребленной пищи.

Лишь растения (продуценты) могут непосредственно использовать для своей жизнедеятельности лучистую энергию Солнца.

Строгое измерение циркулирующего в экосистеме вещества можно получить, учитывая круговорот отдельных химических элементов, прежде всего тех, которые являются основным строительным материалом для цитоплазмы растительных и животных клеток.

В отличие от веществ, которые непрерывно циркулируют по разным блокам экосистемы и всегда могут вновь входить в круговорот, энергия может быть использована в организме только один раз.

Согласно законам физики энергия может переходить из одной формы (например, энергии света) в другую (например, потенциальную энергию пищи), но она никогда не создается вновь и не исчезает.

Не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потери некоторой ее части. В своих превращениях определенное количество энергии рассеивается в виде тепла и, следовательно, теряется.

По этой причине не может быть превращений, например пищевых веществ в вещества, из которых состоит тело организма, идущих со стопроцентной эффективностью.

Существование всех экосистем зависит от постоянного притока энергии, которая необходима всем организмам для поддержания их жизнедеятельности и самовоспроизведения.

Лишь около половины солнечного потока, падающего на зеленые растения, поглощается фотосинтетическими элементами, и лишь малая доля поглощенной энергии (от 1/100 до 1/20 части) запасается в виде энергии, необходимой для деятельности тканей растений.

По мере удаления от первичного продуцента скорость потока энергии (то есть количество энергии, выраженное в энергетических единицах, перешедшее с одного трофического уровня на другой) резко ослабевает.

Падение количества энергии при переходе с одного трофического уровня на более высокий определяет число самих этих уровней. Подсчитано, что на любой трофический уровень поступает лишь около 10% (или чуть более) энергии предыдущего уровня. Поэтому общее число трофических уровней редко превышает 3–4.

Соотношение живого вещества на разных трофических уровнях подчиняется в целом тому же правилу, что и соотношение поступающей энергии: чем выше уровень, тем ниже общая биомасса и численность составляющих его организмов.

Соотношение численности разных групп организмов дает представление об устойчивости сообщества, ведь биомасса и численность некоторых популяций являются одновременно и показателем жизненного пространства для организмов данного и других видов. Например, числом деревьев в лесу определяется не только общий запас заключенной в них биомассы и энергии, но и микроклимат, а также количество убежищ для многих насекомых и птиц.

Пирамиды численности могут быть перевернутыми. Это происходит, когда скорость воспроизводства популяции жертвы высока, и даже при низкой биомассе такая популяция может быть достаточным источником пищи для хищников, имеющих более высокую биомассу, но низкую скорость воспроизводства.

Например, на одном дереве может жить и кормиться множество насекомых (перевернутая пирамида численности).

Перевернутая пирамида биомассы свойственна водным экосистемам, где первичные продуценты (фитопланктонные водоросли) очень быстро делятся и умножаются в числе, а их потребители (зоопланктонные ракообразные) гораздо крупнее, но имеют длительный цикл воспроизводства.

Пастбищные и детритные цепи

Энергия может проходить через сообщество разными путями. Она представляет собой пищевую цепь всех консументов (консументную систему) с добавлением еще двух звеньев: это мертвое органическое вещество и пищевая цепь организмов-разлагателей (редуцентная система).

Поток энергии, идущий от растений через растительноядных животных (их называют пасущимися), называется пастбищной пищевой цепью.

Не использованные консументами остатки потребляемых ими организмов пополняют собой мертвое органическое вещество. Оно состоит из фекалий, содержащих часть неусвоенной пищи, а также трупов животных, остатков растительности (листьев, веток, водорослей) и называется детритом.

Поток энергии, берущий начало от мертвого органического вещества и проходящий через систему разлагателеи, называется детритнои пищевой цепью.

Наряду со сходством имеется глубокое различие в функционировании пастбищной и детритнои пищевых цепей. Оно состоит в том, что в кон-сументной системе фекалии и мертвые организмы теряются, а в редуцентной нет.

Рано или поздно энергия, заключенная в мертвом органическом веществе, будет полностью использована разлагателями и рассеяна в виде тепла при дыхании, даже если для этого ей потребуется несколько раз пройти через систему редуцентов.

Исключением являются лишь те случаи, когда местные абиотические условия очень неблагоприятны для процесса разложения (высокая влажность, мерзлота).

В этих случаях накапливаются залежи не полностью переработанного высокоэнергоемкого вещества, превращающегося со временем и при подходящих условиях в горючие органические ископаемые – нефть, уголь, торф.

Круговорот веществ в экосистеме

Целостность природных экосистем особенно отчетливо проявляется при рассмотрении циркулирующих в них потоков вещества. Вещество может передаваться по замкнутым циклам (кругооборотам), многократно циркулируя между организмами и окружающей средой.

Круговые передвижения (по земле, воздуху, воде) химических элементов (то есть веществ) называются биогеохимическими циклами или круговоротами.

Необходимые для жизни элементы и растворенные соли условно называют биогенными элементами (дающими жизнь) или питательными веществами. Среди биогенных элементов различают две группы: макротрофные вещества и микротрофные вещества.

Макротрофные вещества охватывают элементы, которые составляют химическую основу тканей живых организмов. Сюда относятся: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера.

Микротрофные вещества включают в себя элементы и их соединения, также очень важны для существования живых систем, но в исключительно малых количествах. Такие вещества часто называют микроэлементами.

Это железо, марганец, медь, цинк, бор, натрий, молибден, хлор, ванадий и кобальт.

Хотя микротрофные элементы необходимы для организмов в очень малых количествах, их недостаток может сильно ограничивать продуктивность.

Циркуляция биогенных элементов сопровождается обычно их химическими превращениями. Нитратный азот, например, может превращаться в белковый, затем переходить в мочевину, превращаться в аммиак и вновь синтезироваться в нитратную форму под влиянием микроорганизмов. В процессах денитрификации и фиксации азота принимают участие различные механизмы, как биологические, так и химические.

Запасы биогенных элементов непостоянны. Процесс связывания некоторой их части в виде живой биомассы снижает количество, остающееся в абиотической среде.

И если бы растения и другие организмы в конечном счете не разлагались, запас биогенов исчерпался бы и жизнь на Земле прекратилась.

Отсюда можно сделать вывод, что активность гетеротрофов, в первую очередь организмов, функционирующих в детритных цепях, решающий фактор сохранения круговорота биогенных элементов и образования продукции.

Рассмотрим некоторые числовые данные, свидетельствующие о масштабах переноса веществ, обратившись к биогеохимическому круговороту углерода.

Естественным источником углерода, используемого растениями для синтеза органического вещества, служит углекислый газ, входящий в состав атмосферы или находящийся в растворенном состоянии в воде.

В процессе фотосинтеза углекислый газ (диоксид углерода) превращается в органическое вещество, служащее пищей животным. Дыхание, брожение и сгорание топлива возвращают углекислый газ в атмосферу.

Запасы углерода в атмосфере нашей планеты оцениваются в 700 млрд. т, в гидросфере – в 50 000 млрд. т. Согласно расчетам за год, в результате фотосинтеза прирост растительной массы на суше и в воде составляет соответственно 30 млрд. т и 150 млрд. т. Круговорот углерода продолжается около 300 лет.

Другой пример – круговорот фосфора. Основные запасы фосфора содержат различные горные породы, которые постепенно (в результате разрушения и эрозии) отдают свои фосфаты наземным экосистемам. Фосфаты потребляются растениями и используются ими для синтеза органических веществ.

При разложении трупов животных микроорганизмами фосфаты возвращаются в почву и затем снова используются растениями. Помимо этого часть фосфатов выносится водотоками в море. Это обеспечивает развитие фитопланктона и всех зависящих от него пищевых цепей.

Часть фосфора, содержащаяся в морской воде, может вновь вернуться на сушу в виде гуано.

Источник: https://mirznanii.com/a/7230/potoki-energii-i-veshchestva-v-ekosistemakh

Book for ucheba
Добавить комментарий