Страница - 4

§ 5. Перенос энергии в экосистеме

Цели изучения этой темы рассчитывать эффективность переноса энергии; сравнивать пирамиды численности, биомассы и энергии.

Что такое пищевая цепь и сеть? Какие обязательные компоненты экосисте­мы необходимы? Откуда живые организмы получают энергию? Кто такие продуценты консументы-1 и 2, редуценты, паразиты и сапрофиты? Сколько энергии переходит на следующий трофический уровень и сколько звеньев в цепи питания?

Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 2 - учебник для 7 класса; § 54 - учебник для 9 класса.

Поток энергии в цепях питания и экологические пирамиды. Как вы помните, трофический уровень - это группа организмов, занимающая определенное положение в общей цепи питания. К первому трофическому уровню относятся продуценты, получающие свою энергию от Солнца. Тра­воядные животные занимают второй уровень и называются консументы 1 го порядка. Первичные хищники, поедающие травоядных, находятся на третьем уровне - консументы 2 го порядка. Вторичные хищники - это уже четвертый трофический уровень, консументы 3-го порядка.

Трофических уровней может быть и больше, когда учитываются па­разиты, живущие как на продуцентах, так и на различных консументах, а также разнообразные сапрофиты (редуценты).

Цепи и сети питания отражают по одному представителю из каждого вида животных, растений или других групп организмов, находящихся на трофических уровнях. Поэтому последовательность передачи энергии в пищевых цепях каждого конкретного сообщества организмов (степь, озеро, лес и т. д.) приобретает определенную трофическую структуру. Ее обычно изображают в виде экологических пирамид (рис. 6). Это мо­дели на основе цепей питания, но их особенность - попытка отразить не только виды организмов, но и их количество.

Впервые графическую модель разработал в 1927 г. американский зоолог Чарлз Элтон.

В основании пирамиды организмы 1-го трофического уровня - про­дуценты. Над продуцентами располагается уровень травоядных - консу­ментов-1. Следующие «этажи» или «блоки» пирамиды образованы кон­сументами более значительных порядков. Как правило, в экологических пирамидах не отражают на отдельном уровне паразитов и редуцентов.

Виды экологических пирамид. Различают три способа построения экологических пирамид.

Пирамида чисел, или численности, показывает количество отдель­ных организмов на каждом уровне. Например, чтобы прокормить одну лисицу, необходимо, по крайней мере, несколько зайцев или мышей, на которых она могла бы охотиться. А чтобы прокормить этих грызунов, нужно довольно большое количество разнообразных растений.

Иногда пирамиды чисел могут быть как бы перевернутыми. Это возможно для леса, когда продуцентами служат крупные деревья, а консументами 1-го порядка - разнообразные мелкие насекомые. В этом случае уровень первичных консументов количественно больше уровня продуцентов (на одном дереве обитает и питается множество насекомых}.

Пирамида биомассы — соотношение масс организмов разных трофи­ческих уровней. Обычно в наземных биоценозах такая пирамида будет иметь широкое основание и в целом правильную пропорциональную фор­му. Если организмы не слишком различаются по размерам, то на графике обычно получается ступенчатая пирамида с суживающейся верхушкой. Так, для образования 1 кг говядины необходимо 70-90 кг свежей травы.

Напомним, что в водных экосистемах пирамиды чаще ромбовидные (см. схема 12, учебник биологии для 8 класса).

И пирамиды чисел, и пирамиды биомасс характеризуют состояние экосистемы в определенное время - как фотоизображение. Но они не по­казывают, как изменяется экосистема во времени.

Эту задачу решает пирамида энергии, которая показывает, сколь­ко энергии проходит по всем трофическим уровням в единицу времени. Важнейшим показателем состояния экосистемы является не количество биомассы (совокупный вес всех живых организмов на определенной тер­ритории), а ее продуктивность. Продуктивность биомассы - это коли­чество органических веществ (содержащих энергию), которое образуется в экосистеме за единицу времени. А раз уж органика образуется, она бу­дет потребляться и переходить с одного трофического уровня на другой. Именно это и отражает пирамида энергии.

Эффективность переноса энергии в экосистеме (рис. 7). Как вы помните, в среднем на следующий трофический уровень переходит 10% энергии. В экологии это явление получило название закон пирамиды энергий, или правило десяти процентов.

Его сформулировал Раймонд Линдеман - американский эколог в 1941-1942 гг.

На самом деле 10% - это средняя, а не абсолютная величина. В ходе многолетних наблюдений и исследований как непосредственно в живой природе, так и с использованием компьютерных моделей, ученые выясни­ли, что максимальная величина энергии в некоторых экосистемах может достигать в лучшем случае 30%. В то же время в некоторых биоценозах количество передаваемой энергии может составлять всего лишь 1%.

То есть популяция животных, потребив 240 кг корма (зеленой травы), прибавила в весе на 30 кг. Так, эффективность переноса энергии на этом пищевом уровне составит:

Хотя эта формула не учитывает калорийность травы и баланс белков, жиров и угле­водов, из которых состоят тела тех травоядных, которые прибавили в весе на 30 кг.

Именно из-за потери энергии (в среднем 90%) цепи питания обычно не могут иметь более 3-5 (редко 6) звеньев. Следовательно, экологические пирамиды не могут состоять из большого количества "этажей" (рис. 7).

Напомним, что в природе крайне редко встречаются организмы, ко­торые поедали бы только один вид других живых организмов. Также следует заметить, что почти не существует организмов, у которых был бы только один вид естественных врагов - тех, кто их ест. Соответственно, при рассмотрении реальных биогеоценозов или экосистем составляются сети питания, отражающие пищевые связи всех видов со всеми. По­этому составить полную экологическую пирамиду реального сообщества организмов и отразить в ней все виды довольно сложно.

Знание и понимание

1. Дайте определения следующим понятиям: цепь и сеть питания, пи­щевая пирамида, экосистема, продуценты, консументы 1-го и 2-го порядка, редуценты, или сапрофиты.
2. Объясните, почему в среднем па следующий трофический (пищевой) уровень переходит 10% энергии. Куда исчезает остальная энергия (90%)?

Применение

Назовите, какие организмы могут находиться на 1-м трофическом уровне в следующих экосистемах:

1) поверхностные воды океана. 2) глубоководные океанические сообщества рифтовых зон, 3) одиноч­ная сосна на горном склоне, 4) смешанный лес, 5) разнотравная степь.

Составьте для них пищевые цепи, включающие не более четырех звеньев.

Рассчитайте, сколько энергии будет потребляться при переходе с одно­го трофического уровня на другой, если известно, что лисица, чтобы прибавить в весе па 1 кг, должна съесть 2 зайцев весом по 4,4 кг каж­дый и не менее 16 мышей весом по 30 г. Рассчитайте эффективность переноса энергии на этих трофических уровнях.

Анализ

1. Изобразите в виде схемы пищевые пирамиды численности, биомассы и энергии любой из экосистем, предложенных в задании 1 «Применение».
2. Выскажите свое мнение о причинах отличий между изображенными пирамидами (рис. 7).

Синтез

Рассчитайте, на каком трофическом уровне переход энергии будет бо­лее эффективным, а на каком менее эффективным, если сохраняются и дополняются условия, представленные в заданны 2 «Применение». При этом популяция зайцев, чтобы прибавить в весе на 10 кг, должна съесть не менее 120 кг травы, а популяции мышей, чтобы набрать такой же вес, необходимо потребить всего 80 кг зерна и других семян.

Рассмотрите рисунок.

Определите, по каким признакам можно отличить графические изоб­ражения пирамид численности, биомассы и энергии. В каких едини­цах измеряются показатели в каждой из них?

Оценка

1. Оцените (используя дополнительные источники информации и данные из задания 1 "Синтез"), в каких экосистемах нашей планеты возмож­на максимальная, а в каких - минимальная эффективность.
2. Порассуждайте, кто будет терять больше энергии: заяц или мышь, и почему. Какая пища будет более питательной: трава или семепа, при исходном одинаковом весе сырой массы - 100 г?

§ 6. Биохимические процессы в биосфере — круговорот веществ

Цель изучения этой темы: составлять схему круговорота азота и углерода в природе..

Какие вещества называются органическими? Из каких обязательных элемен­тов они состоят? По каким правилам органические вещества могут превра­щаться друг в друга? Какой элемент, характерный для белков, отсутствует в жирах и углеводах? Почему жизнь нашей планеты называют «углеродной»? Что такое фотосинтез, почва, перегной?

Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 2 и § 61, п. 3 - учеб­ник для 7 класса. § 54 - учебник для 8 класса.

Биохимические процессы в биосфере характеризуются непрерывным переходом химических элементов и состоящих из них веществ из од­них живых организмов в другие, их взаимообменом с неживой природой. Этот процесс повторяющегося перехода элементов из неживой природы в живые организмы (последовательной миграции между разными телами особей разных видов) и последующего возвращения в неживую природу называется биогенной миграцией атомов, биогеохимическими циклами, или биотическим круговоротом элементов. Вез этого процесса жизнь была бы невозможна. Организмам просто не из чего было бы строить собственные тела. В то же время, если бы элементы только поглощались живым и при этом не возвращались в неживую природу, то вскоре все бы они закончились, и жизнь тоже стала бы невозможной.

Круговорот углерода в природе происходит постоянно, так как это элемент, составляющий структурную основу - каркас всех органических веществ. В современной атмосфере углерод находится в виде углекислого газа - СО ,. Его количество относительно невелико и составляет в воздухе 0,03% СО₂. До возникновения фотосинтезирующих живых организмов его было значительно больше - от 5 до 0,5%. Откуда берется углерод в атмосфере? Первичная атмосфера возникла в результате извержения вулканических газов, в которых и сейчас содержится углекислый газ. Вспомните также, что все живые организмы выдыхают углекислый газ при дыхании. При сгорании органического топлива, как и при гниении и брожении, также выделяется углекислый газ.

Следует учесть, что между атмосферой и Мировым океаном происходит постоян­ный обмен (поглощение и выделение) СО₂ Но многие морские организмы «фикси­руют» углерод, т. е. переводят его в нерастворимое состояние, и как бы «вынимают из круговорота». Так кораллы, моллюски и некоторые раковинные одноклеточ­ные, поглощая углерод из вод океана, накапливают его в виде карбоната кальция (СаСО ), или известняка, строя свои твердые покровы. Речь о фиксации углерода в виде полезных ископаемых пойдет ниже.

Поглощается СО, главным образом в процессе фотосинтеза. Зеленые растения сначала включают углерод из молекулы углекислого газа в со­став глюкозы, а затем и в состав любых других органических веществ. Животные получают углерод, входящий в состав растительных белков, жиров и углеводов. Из выделений как растений (опавшие листья), так и животных (навоз), углерод возвращается в атмосферу в процессе гние­ния. Это происходит и после гибели организмов (рис. 8).

Круговорот азота сложнее, чем круговорот углерода. Напомним, что азот, как обязательный компонент, входит в состав всех белков и нуклеи­новых кислот, но не присутствует в составе жиров и углеводов. Орга­низмов, способных усваивать азот атмосферы, значительно меньше, чем организмов-фотосинтетиков. Количество азота в атмосфере очень велико (примерно 78%). Растения не способны поглощать азот прямо из воздуха! Они могут поглощать содержащие азот соединения - нитраты (N0₃ ) из почвы. Поэтому важнейшей задачей круговорота азота является перевод его из газообразного состояния атмосферы N₂ в состав доступных для рас­тений почвенных соединений! Этот процесс принято называть фиксацией азота. Существует два типа фиксации азота:

• атмосферная фиксация — при ударах молний часто образуется оксид азота: N₂—>N0₂, который впоследствии окисляется и при взаимо­действии с водой образует азотную кислоту HNO₃, попадающую в почву, а позднее и нитраты (NO₃ );
• биологическая фиксация происходит с помощью двух основных групп организмов: клубеньковых бактерий, образующих симбиоз с кор­нями бобовых растений и фотосинтезирующих цианобактерий (синезе­леных водорослей). Они тоже преобразуют азот воздуха в аммиак NH₃. Эти две группы организмов не единственные способны усваивать азот атмосферы, но именно они играют главную роль, делая азот доступным для всего живого. Так бобовые растения в симбиозе с различными клу­беньковыми бактериями способны образовывать в почве от 150 до 400 кг азотистых веществ на 1 га за весенне-летний сезон.

Также часть азотистых соединений попадает в почву с выделяемой животными мочевиной CO(NH₂)₂ и отмершими частями или телами раз­ных организмов. Их преобразуют аммонифицирующие и нитрифициру ющие бактерии. В результате образуется часть доступных для растений веществ (нитраты NO₃ и нитриты N0, ). Другая же часть гниющей, раз­лагающейся органики превращается в газообразный азот (N₂) после дей­ствия денитрифицирующих бактерий и возвращается обратно в атмосфе­ру (рис. 9).

Роль живых организмов в создании почвы огромна. В ее состав вхо­дят компоненты разрушенных горных пород и результаты жизнедеятель­ности живых организмов. То есть условно почву можно разделить на две части. Одна будет состоять только из компонентов неживой природы. А другая никак не смогла бы возникнуть без живых организмов. Это гумус, или перегной, - результат разложения частей или целых тел рас­тений и животных. Именно его количество, в первую очередь, опреде­ляет плодородие почвы. Следует помнить, что процессы гниения и минерализации

(перевод перегноя в минеральные соли) также осуществляют живые организмы: разнообразные бактерии гниения и иные почвенные бактерии, различные грибы (одноклеточные и многоклеточные), некото­рые простейшие (одноклеточные) животные. Все это разнообразие мик­роскопических организмов называют почвенной микрофлорой. Без этих существ процессы образования и сохранения почвы как сложной структу­ры были бы невозможны. Следовательно, почву надо рассматривать как компонент природы, сформировавшийся за миллионы лет и состоящий из трех групп обязательных компонентов: неорганических (разрушенных горных пород), органических (перегноя или гумуса) и живых организ­мов, как микроскопических, так и иных (дождевые черви, личинки на­секомых, муравьи, корни растений и т, д.).

Роль живых организмов в создании осадочных пород. Как вы помни­те, осадочные горные породы бывают минеральные и органические. Ми­неральные породы образовались из компонентов неживой природы путем осаждения или кристаллизации твердых частиц из водных растворов.

Органические осадочные горные породы не могли возникнуть без участия живых организмов. Это накопившиеся и преобразованные под воздей­ствием природных условий компоненты тел живых организмов.

Такие горные породы, как известняк, мел и ракушечник, - результат накопления углекислого кальция в телах морских животных: раковин­ках простейших, моллюсков и в наружном скелете коралловых полипов. Есть горная порода, на 50-80% состоящая из панцирей одноклеточных диатомовых водорослей, - диатомит.

Нефть и природный газ — результат бескислородного разложения обитателей древних водоемов, похожих на современный планктон. Ка менный уголь возник в результате накопления, напластовывания и по­гружения в недра земли древних гигантских папоротников и иных рас­тений лесов того времени. Эти горючие полезные ископаемые возникли в результате фиксации и накопления углерода, сначала попавшего в рас­тения в виде углекислого газа в процессе фотосинтеза, а потом вошедше­го в состав органических веществ тел растений или животных (нефть). Процесс их накопления и формирования проходил миллионы лет. При сжигании топлива углерод снова попадает в атмосферу. В настоящее вре­мя это происходит слишком быстро — за одну-две сотни лет. Об экологи­ческих последствиях этой ситуации речь пойдет в дальнейшем.

 Знание и понимание

1. Как вы понимаете термины: круговорот веществ, биогенная миграция атомов, биогеохимический цикл, биотический круговорот, фиксация того или иного элемента?
2. Возможно ли формирование почвы и органических горных пород без участия живых организмов? Почему?

Применение

1. Определите связь между круговоротом углерода и процессами фото­синтеза, дыхания, горения, брожения и гниения.
2. Какие организмы могут фиксировать азот, а какие углерод? Во что они превращают углерод?

Анализ

1. Проанализируйте этапы фиксации углерода.
2. Изобразите в виде схемы процесс фиксации и освобождения азота, обя­зательно включив в нее следующие компоненты: молнии, цианобак­терии, нитрифицирующие бактерии, бактерии гниения, брожения, нитраты, нитриты, мочевина, аммиак. молекулярный азот, аммиачная селитра, производство азотных удобрений, бобовые растения, клубеньковые бактерии (как симбиотические, так и свободноживущие), атмосфера, гидросфера, почва, животные, растения.

Синтез

1. Напишите эссе: «Путешествие атома углерода (азота)».
2. Данте общее описание роли живых организмов в круговороте жизнен­но важных элементов, формировании органических осадочных гор­ных пород и почвы.

Оценка

1. Объясните значение биогенной миграции атомов в природе. Как бы раз­вивалась жизнь, если бы не существовало азотфиксирующих бактерий?
2. Обсудите следующее высказывание ученых: «Используя современный метод определения соотношения изотопного состава ¹²C/¹³C, удалось определить, что органический углерод, участвовавший когда-либо в реакциях фотосинтеза, обогащен "легким" изотопом ¹²С. Проанали­зировав большое число молекул СО, из хаотично взятых проб атмо­сферы, следует признать, что весь свободный углерод хотя бы однаж­ды побывал в телах живых организмов».