§ 25. Экосистема – круговорот веществ в потоке энергии

Вопрос 1. Сформулируйте главный вопрос урока.

Какие процессы обеспечивают регуляцию в экосистеме?

Вопрос 2. Как осуществляется регуляция? (§ 1)

При отклонениях каких-либо показателей гомеостаза организма, под действием регулирующих факторов, организм, воспринимая сигналы рецепторов, пытается вернуть все на круги своя.

Что вы знаете об экосистеме? Какие группы организмов необходимы в любой экосистеме? (6–7 класс)

Экосистема (биоценоз) – это совокупность живых организмов и среды их обитания, характеризующаяся круговоротом веществ и потоком энергии (пруд, луг, лес).

Процессы в экосистемах

Круговорот веществ в экосистеме происходит за счет пищевых цепей: продуценты забирают из неживой природы неорганические вещества и делают из них органические; в конце пищевой цепи редуценты делают наоборот. Таким образом, в экосистеме нужны такиме группы организмов: продуценты, консументы и редуценты.

Поток энергии: большинство экосистем получают энергию от солнца. Растения в процессе фотосинтеза запасают ее в органических веществах. Эта энергия используется для жизнедеятельности всех остальных организмов экосистемы. Проходя по пищевым цепям, эта энергия постепенно расходуется (правило 10%), в конце концов вся солнечная энергия, поглощенная продуцентами, превращается в тепло.

Саморегуляция – главное свойство экосистем: за счет биотических связей количество всех видов поддерживается на постоянном уровне. Саморегуляция позволяет экосистемам выдерживать неблагоприятные воздействия. Например, лес может сохраниться (восстановиться) после нескольких лет засухи, бурного размножения майских жуков и/или зайцев.

Устойчивость экосистемы. Чем больше в экосистеме видов, тем больше там пищевых цепей, и тем более устойчивым (сбалансированным) является круговорот веществ и сама экосистема. Если количество видов (биологическое разнообразие) уменьшается, то экосистема становится неустойчивой и теряет способность к саморегуляции.

Смена экосистемы (сукцессия). Экосистема, в которой производится больше органических веществ, чем потребляется, неустойчива. Она зарастает, это нормальный процесс саморазвития экосистемы (живые организмы сами меняют свою среду обитания). Например, лесной пруд превращается в болото, степь – в лесостепь, березняк – в дубраву и т.п. К смене экосистемы могут приводить и внешние воздействия, например, пожар или вырубка леса.

Какие организмы относятся к автотрофам, а какие – к гетеротрофам? (5–7 класс, § 5)

Автотрофы — живые организмы, синтезирующие органические соединения из неорганических (растения, некоторые бактерии).

Гетеротрофы — организмы, которые не способны синтезировать органические вещества из неорганических. Для синтеза необходимых для своей жизнедеятельности органических веществ им требуются органические вещества, произведённые другими организмами.

Вопрос 3. Какую роль в экосистеме играют представители каждой из крупнейших групп организмов, обозначенных на рисунке?

Представители царства Растения и некоторые виды надцарства Прокариоты производят органическое вещество из неорганического. Они способны преобразовывать солнечную энергию в процессе фотосинтеза и создавать (синтезировать) органические вещества, которые гетеротрофы используют в качестве пищи. При этом продуценты потребляют из атмосферы углекислый газ, образованный в процессе жизнедеятельности гетеротрофов, и выделяют кислород.

Представители царства Животные и некоторые виды надцарства Прокариоты в экосистеме выполняют роль консументов. Консументы - потребители органического вещества. Травоядные животные употребляют растительную пищу, а плотоядные - животную. В результате процесса пищеварения, протекающего в организмах консументов, происходит первичное измельчение и разложение органического вещества. Это облегчает дальнейшую деятельность редуцентов.

Представители царства Грибы и надцарства Прокариоты являются редуцентами. Эти организмы, окончательно разлагают органические вещества, содержащиеся в отходах и трупах консументов и продуцентов. В процессе жизнедеятельности этих организмов восстанавливаются минеральные вещества, которые вновь используют продуценты.

Вопрос 4. Почему необходимо, чтобы органические вещества в конечном счёте разлагались до минеральных (неорганических) компонентов?

Неорганические элементы входят в компоненты биомассы, они просто меняют молекулы. В отличие от энергии солнечной радиации запасы биогенных элементов непостоянны. Процесс связывания некоторой их части в живой биомассе снижает количество, остающееся сообществу. Если бы органические вещества в конечном счёте не разлагались бы до минеральных (неорганических) компонентов, то запас их исчерпался бы и жизнь на Земле прекратилась. А высвобождение этих элементов в форме простых неорганических соединений происходит только из системы редуцентов.

Вопрос 5. Можно ли сказать, что благополучие каждого царства эукариот обусловлено существованием всех остальных царств?

Да, можно.

Вопрос 6. Определите по рисунку, чем питаются люди в каждой из цепей питания. К какому трофическому уровню они относятся?

В первой цепи питания люди питаются растительной пищей (отруби, мука). Здесь люди относятся к консументам первого порядка.

Во второй цепи питания люди питаются пищей животного происхождения (молоко и его производные, мясо). Здесь люди относятся к консументам второго порядка.

В третьей цепи питания люди питаются рыбой. Здесь люди относятся к консументам третьего порядка.

Вопрос 7. К чему приводит сокращение разнообразия экосистем под воздействием человека?

Сокращение разнообразия экосистем человеком приводит к изменению устойчивых пищевых цепей и сетей, что приводит к нарушению баланса в экосистеме.

Вопрос 8. Почему мясо дороже овощей?

Для выращивания овощей нужно меньше затрат энергии и средств. А для выращивания скота, нужно много растений (ресурсов), на которые нужно также затрачивать средства. Очень наглядно демонстрирует это пищевая пирамида.

Вопрос 9. Как пищевые пирамиды отражают законы сохранения и рассеивания энергии?

Эффект убывания энергии при переходе с одного трофического уровня на другой принято изображать в форме пищевой пирамиды.

Энергия передается от организма к организму, создавающих трофическую цепь, с одного трофического уровня на другой.

Основная часть энергии, усваиваемая консументом с пищей, расходуется на его жизнедеятельность, другая часть энергии переходит в тело (организм) потребителя вместе с увеличением массы - энергия прироста (Эпр) и некоторая часть пищи и связанная с ней энергия не усваивается организмом, она выводится в окружающую среду вместе с продуктами проявления жизнедеятельности. В последствии эта энергия усваивается другими организмами.

Вопрос 10. Какие организмы создают органическое вещество из неорганического?

Растения, некоторые бактерии, некоторые водоросли, а в целом – продуценты.

Вопрос 11. Какие лимитирующие факторы ограничивают урожай продуцентов?

Урожай продуцентов ограничивают следующие лимитирующие факторы: абиотические (количество солнечного света, температура, влага, осадки, рельеф), биотические (травоядные животные, консументы 1-го порядка в водоемах, конкуренция), антропогенные (вырубка лесов, скашивание травы и др.).

Вопрос 12. Куда девается урожай продуцентов в экосистеме?

Урожай продуцентов в экосистеме распределяется в двух направлениях: некоторая часть съедается консументами 1-го порядка (в том числе и человеком), а некоторая часть сгнивает (подвергается разложению сапротрофными организмами и минерализуется).

Вопрос 13. Почему урожай продуцентов на суше убывает к полюсам, а в море – к глубоководным частям?

Потому что к полюсам и глубоководным частям действуют лимитирующие факторы (количество тепла, осадков и света соответственно), при которых жизнь и, как следствие, урожай продуцентов невозможен.

Вопрос 14. Как можно объяснить большой разброс величины урожая в экосистемах на одной широте?

Разброс величины урожая в экосистемах на одной широте можно объяснить следующими причинами: во-первых, соотношение суши и воды; во-вторых, соотношение тепла и влаги; в-третьих – климатические условия; в-четвертых – рельеф.

Вопрос 15. Какова главная функция экосистемы?

Главная функция экосистемы – осуществление полного цикла, начиная с создания органического вещества и заканчивая его разложением на неорганические составляющие.

Вопрос 16. Какие экологические роли исполняют в экосистеме автотрофы и гетеротрофы?

Автотрофы – производители органических веществ из неорганических. Гетеротрофы – потребители органических веществ.

Вопрос 17. В каком соотношении находятся понятия «цепь питания» и «трофический уровень»?

Трофический уровень – это одно звено (одно из звеньев) цепи питания.

Вопрос 18. Почему хищников, как правило, меньше, чем их жертв?

Замечено, что в действиях многих хищников присутствует то, что можно назвать расчетливостью. Хищнику, например, невыгодно полное уничтожение всех особей жертвы, и, как правило, этого в природе не случается. Для расчетливого хищника наилучшей является такая ситуация, когда скорость роста популяции жертв (и соответственно прирост биомассы жертвы, идущей хищнику в пищу) постоянно поддерживается на высоком уровне. Хищник может добиться этого, уничтожая в первую очередь, тех особей, которые больны или медленно растут и размножаются. Хищник обычно оставляет особей быстрорастущих, плодовитых, выносливых. Часто хищники питаются старыми и дряхлыми особями, которых легче поймать, в то время как более молодым и жизнеспособным удается избежать гибели.

Но исходя из преобразования энергии с одного трофического уровня на другой, предыдущий уровень (жертва), по определению, не может быть меньше следующего (хищник). Потому что хищнику должно достаться минимум 10% энергии предыдущего уровня (жертвы).

Вопрос 19. Почему пирамида биомасс в морях меняет свою обычную форму?

В водных экосистемах часто наблюдается парадокс, когда биомасса продуцентов (фитопланктона) и консументов 1-го порядка (зоопланктона) может быть меньше биомассы консументов высших порядков (рыб). На первый взгляд это нарушает закон сохранения энергии. В действительности в таких случаях продуценты и консументы 1-го порядка представлены организмами с очень короткими жизненными циклами. Поэтому за время жизни долгоживущих консументов успевают смениться много поколений их пищевых объектов.

Вопрос 20. Как закон сохранения энергии объясняет различие урожая продуцентов в экосистемах разных широт?

Закон сохранения энергии гласит, что энергия может переходить из одной формы (солнечный свет) в другую (потенциальная энергия химических связей в органическом веществе), но она не исчезает и не создается заново, т. е. общее количество энергии в процессах остается постоянным. Посступление солнечного света на Землю неравномерно и уменьшается к полюсам. Следовательно, чем больше света поступает, тем больше преобразуется в органические вещества. Исключая тропические широты, где недостаточно влаги для произрастания растений.

Вопрос 21. К какому трофическому уровню относятся вегетарианцы?

Вегетарианцы относятся к консументам 1-го порядка.

Вопрос 22. Найдите в Интернете новый и интересный, с вашей точки зрения, материал, отсутствующий в учебнике, подготовьте доклад.

Например, гомеостаз экосистемы. Экосистемы, подобно входящим в их состав популяциям и организмам, способны к самоподдержанию и саморегулированию. Гомеостаз (от греч. подобный, одинаковый) – способность биологических систем противостоять изменениям и сохранять динамическое относительное постоянство состава и свойств. Нестабильность среды обитания в экосистемах компенсируется биоценотическими адаптивными механизмами.

Наряду с потоками энергии и круговоротами веществ экосистему характеризуют развитые информационные сети, включающие потоки физических и химических сигналов, связывающих все части системы и управляющих ею как единым целым. Поэтому можно считать, что экосистемы имеют и кибернетическую природу.

В основе гомеостаза лежит принцип обратной связи, который можно продемонстрировать на примере зависимости плотности популяции от пищевых ресурсов. Обратная связь возникает, если «продукт» (численность организмов) оказывает регулирующее влияние на «датчик» (пищу). В данном примере количество пищевых ресурсов определяет скорость прироста популяции. При отклонении плотности популяции от оптимума в ту или иную сторону увеличивается рождаемость или смертность, в результате чего плотность приводится к оптимуму. Такая обратная связь, уменьшающая отклонение от нормы, называется отрицательной обратной связью.

Помимо систем обратной связи стабильность экосистемы обеспечивается избыточностью функциональных компонентов. Например, если в сообществе имеется несколько видов автотрофов, каждый из которых характеризуется своим температурным оптимумом, то при колебаниях температуры окружающей среды скорость фотосинтеза сообщества в целом будет оставаться неизменной.

Гомеостатические механизмы действуют в определенных пределах, за которыми уже ничем не ограничиваемые положительные обратные связи приводят к гибели системы, если невозможна «дополнительная настройка». По мере нарастания стресса, система, продолжая оставаться управляемой, может оказаться неспособной к возвращению на прежний уровень.

Область действия отрицательной обратной связи можно изобразить в виде гомеостатического плато (рис. ниже). Оно состоит из ступенек; в пределах каждой ступеньки действует отрицательная обратная связь. Переход со ступеньки на ступеньку может произойти в результате изменения в «датчике».

Еще одна из тем. Продуктивность экосистем – образование органического вещества в виде биомассы животных, растений и микроорганизмов, составляющих биотическую часть экосистемы, в единицу времени на единицу площади или объема. Способность создавать органическое вещество (биологическая продуктивность) - одно из важнейших свойств организмов, их популяций и экосистем в целом.

За счет энергии света при фотосинтезе создается основная, или первичная, продукция экосистемы. Первичная продуктивность – это скорость, с которой солнечная энергия усваивается продуцентами (растениями) в процессе фотосинтеза, накапливаясь в форме органических веществ.Иными словами, это величина скорости прироста биомассы растений.

Принято выделять четыре последовательные стадии процесса производства органического вещества:

1) валовая первичная продуктивность - общая скорость фотосинтеза, т. е. скорость образования всей массы органических веществ продуцентами, включая и то количество органического вещества, которое было израсходовано продуцентами на поддержание деятельности (РG);

2) чистая первичная продуктивность - скорость накопления органического вещества в растительных тканях за вычетом того органического вещества, которое было синтезировано растениями и использовано на поддержание своей жизнедеятельности (РN);

3) чистая продуктивность сообщества - скорость накопления органического вещества, не потребленного гетеротрофами (животными и бактериями), в сообществе за конкретный период (например, прирост биомассы растений к концу летнего сезона).

4) вторичная продуктивность - скорость накопления энергии (в виде биомассы) на уровне консументов (животных), которые не создают органическое вещество из неорганических (как в случае фотосинтеза), а лишь используют органические вещества, полученные с пищей, часть из них расходуя на поддержание жизнедеятельности, а остальные превращая в собственные ткани.

Высокие скорости продукции органического вещества встречаются при благоприятных факторах окружающей среды, особенно при поступлении дополнительной энергии извне, уменьшающей собственные затраты организмов на поддержание жизнедеятельности. Например, в прибрежной зоне моря дополнительная энергия может поступать в форме энергии приливов, приносящих малоподвижным организмам частицы органического вещества.

В тропических экосистемах суши в среднем за год вновь создается около 800 г/м2 углерода. Морские экосистемы наиболее продуктивны в умеренных бореальных областях, где в год образуется около 200 г углерода на 1 м2.

Величина биологической продуктивности является определяющей для большинства систем классификации водоемов по уровню трофности, т. е. обеспеченности питательными веществами для развития биоценоза. Уровень трофности водоема определяется по содержанию основного фотосинтетического пигмента (хлорофилла), по величине общей биомассы и по скорости продукции органического вещества. Согласно этой классификации выделяют четыре типа озер: олиготрофные, эвтрофные, мезотрофные и гипертрофные (табл. 12.1).

В предложенной системе классификации уровень биологической продуктивности (трофность) водоёмов тесно связан с абиотическими факторами (глубина, цветность, прозрачность водоема, наличие кислорода в придонных слоях воды, кислотность воды (рН), концентрация биогенных элементов и пр.), с географическим положением водоема и характером водосборного бассейна.

Олиготрофные водоёмы (от греч.- незначительный, бедный) содержат незначительное количество биогенных веществ, имеют высокую прозрачность низкую цветность, большую глубину. Фитопланктон в них развит незначительно, так как автотрофные организмы не обеспечены минеральным питанием, главным образом азотом и фосфором. Синтезированное в водоёме органическое вещество (автохтонное вещество) практически полностью (до 90..95%) подвергается биохимическому распаду. В результате в донных отложениях количество органического вещества небольшое, поэтому в придонных слоях воды содержание кислорода высокое. В водоеме преобладают пастбищные трофические цепи, микроорганизмов мало и деструкционные процессы выражены слабо. Подобные озера характеризуются большими размерами и большой глубиной.

Эвтрофные водоемы (от греч. eutrophia хорошее питание) характеризуются повышенным содержанием биогенных элементов (азот и фосфор), поэтому фитопланктон обеспечен минеральным питанием и интенсивность продукционных процессов высокая. С увеличением степени эвтрофирования уменьшаются прозрачность и глубина зоны фотосинтеза. В верхних слоях воды часто возникает избыток кислорода благодаря высокой скорости фотосинтеза, тогда как в придонных слоях воды - значительный дефицит кислорода из-за использования его микроорганизмами в процессах окисления органического вещества. В водоеме все большее значение приобретают детритные цепи питания.

Мезотрофный тип (от греч. mesos - средний) - промежуточный тип водоемов между олиготрофным и эвтрофным. Обычно мезотрофные водоемы возникают из олиготрофных и превращаются в эвтрофные. Во многих случаях этот процесс связан с эвтрофикацией - повышением уровня первичной продукции вод благодаря увеличению в них концентрации биогенных элементов, главным образом азота и фосфора. Поступление биогенных элементов в водоемы увеличивается в результате смывания с полей удобрений, а также попадания в них промышленных и коммунальных стоков.

Гипертрофные водоемы (от греч. hyper - над, сверх) характеризуются очень высоким уровнем первичной продукции и, как следствие высокой биомассой фитопланктона. Прозрачность и содержание кислорода в водоемах минимальные. Содержание большого количества органического вещества приводит к массовому развитию микроорганизмов, которые преобладают в биоценозе.