Цели урока: рассмотреть особенности круговорота веществ и потока энергии в экосистемах и влияние человеческой деятельности на эти процессы, сравнить производительность различных экосистем; развивать навыки анализа и синтеза информации; воспитывать понимание единства всего живого на нашей планете.
Вопросы для беседы
1. Какие типы взаимодействия живых организмов в экосистемах вам известны?
2. Какие примеры взаимодействия организмов в экосистеме можно назвать хищничеством?
3. Какие примеры взаимодействия организмов в экосистеме можно назвать паразитизмом?
4. Чем мутуализм отличается от коменсализму?
Биологический круговорот - это многократная участие химических элементов в процессах, происходящих в биосфере. Причина круговорота - ограниченность элементов, из которых строится тело организмов.
В биосфере происходит постоянный круговорот элементов, которые переходят от организма к организму, в неживую природу и снова в организм. Элементы, которые высвобождаются микроорганизмами во время гниения, поступают в почву и атмосферу, снова включаются в круговорот веществ биосферы, поглощаясь живыми организмами. Весь этот процесс и будет биогенной миграцией атомов. Для биогенной миграции характерно накопление химических элементов в живых организмах, а также их высвобождения в результате разложения мертвых организмов. Биогенная миграция вызывается тремя процессами:
• обменом веществ в организмах;
• ростом;
• размножением.
Определение биогенной миграции химических элементов, которая вызвана силами жизни, дал В. И. Вернадский (Закон биогенной миграции атомов). Биогенная миграция является частью общей миграции химических элементов биосферы. Главной геохимической особенностью живого вещества является то, что она, пропуская через себя атомы химических элементов земной коры, гидросферы и атмосферы, осуществляет в процессе жизнедеятельности их закономерную дифференциацию. С экологической точки зрения, важнейшими являются круговороты веществ, которые являются основными компонентами живого вещества:
• круговорот кислорода;
• круговорот углерода;
• круговорот азота;
• круговорот серы;
• круговорот фосфора;
• круговорот воды.
Круговорот кислорода
Кислород распространен в живых организмах в составе химических соединений, а в атмосфере он представлен двумя простыми веществами - кислородом 02 и озоном 03. Кислород попадает в атмосферу в результате фотосинтеза, когда выделяется как побочный продукт фотохимической реакции. Озон образуется в верхних слоях атмосферы в результате поглощения кислородом ультрафиолетового излучения Солнца. Живые организмы используют кислород в процессе дыхания для окисления органических соединений в карбон (IV) оксида и воды, вновь могут использоваться в процессе фотосинтеза.
Круговорот углерода
Природные соединения, в состав которых входит Карбон, постоянно изменяются, вследствие которых осуществляется круговорот углерода. Важная роль в круговороте углерода принадлежит карбон (IV) оксида, который входит в состав атмосферы. Этот газ поступает в атмосферу в результате многих процессов-извержения вулканов, горения топлива, разложения известняка, дыхания живых организмов, процессов брожения и гниения.
С воздуха С02 в значительных количествах поглощается наземными растениями и фитопланктоном Мирового океана. Процесс поглощения С02 происходит только на свету - фотосинтез, в результате которого образуются органические соединения, содержащие Карбон.
Из растений, которые поедаются животными, Карбон переходит в животные организмы. Животные выделяют Карбон в виде углекислого газа во время дыхания. Растения и животные со временем отмирают, начинают гнить, окиснюватись и частично превращаться в С02, что возвращается в воздух и снова поглощается растениями. А частично растительные и животные остатки в почве превращаются в горючие ископаемые - уголь, нефть, природный газ. Горючие ископаемые используют как топливо, в результате сгорания которого С02 снова возвращается в атмосферу.
Круговорот азота
В природе азот встречается как в свободном состоянии, так и в связанном. В свободном состоянии азот в виде азота входит в состав воздуха (объемная доля N2 составляет 78%, массовая - 75,6%). Поскольку азота из воздуха расходуется мало, его запасы в атмосфере остаются постоянными. В составе неорганических соединений азот в небольших количествах есть в почве. Однако в сложных органических соединениях - белках - он входит в состав всех живых организмов, участвуя в их жизнедеятельности.
Непосредственно из воздуха азот в виде азота усваивают только некоторые бактерии, а все остальные организмы способны усваивать азот только в составе соединений. Растения усваивают азот неорганических соединений, как и в почве, в виде ионов NH4 и NOg. В растениях осуществляется синтез белков. Растения частично поедаются травоядными животными, и белковые вещества попадают в организм животных. Во время гниения остатков растений и животных под воздействием специальных бактерий происходят сложные биохимические процессы, в результате которых органические соединения, содержащие азот, превращаются в неорганические соединения азота, которые возвращаются в почву.
Поток енергии в экосистемах, продуктивность экосистем
В биогеоценозе энергия накапливается в виде химических связей органических соединений, синтезированных продуцентами из неорганических веществ. Далее она проходит через организмы консументов и редуцентов, но при этом на каждом из трофических уровней частично рассеивается в виде тепла.
Пищевой (трофический) цепь - узаемины между организмами при переносе энергии пищи от ее источника (зеленого растения) через ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими из более высоких трофических уровней. В цепи питания каждый вид занимает определенную звено. Связи между видами в пищевой цепи называются трофическими.
При переносе энергии от звена к звену пищевой цепи подавляющая его часть (80-90%) теряется при выделении теплоты.
Каждая цепь питания состоит из определенного количества видов, то есть отдельных звеньев. При этом каждый из этих видов занимать в цепи питания определенное положение, или трофический уровень. В начале цепей питания, как правило, находятся продуценты, есть автотрофные организмы. А трофический уровень консументов (гетеротрофных организмов) определяют тем количеством звеньев, через которую они получают энергию от продуцентов.
Так, растительноядные животные занимают трофический уровень, следующий за продуцентами. Поэтому их называют консументами И порядке. Далее идет уровень хищников, питающихся растительноядными видами (консументы II порядка) и т.д.. Если консументы потребляют различные виды пищи, то в различных цепях питания они могут занимать различные трофические уровни.
Часть биомассы отмерших продуцентов (например, лиственный опад), которая до этого не была употреблена консументами, а также остатки или продукты жизнедеятельности самих консументов (например, трупы, экскременты животных), являются кормовой базой редуцентов. Редуценты получают необходимую им энергию, разлагая органические соединения до неорганических.
Конце цепи питания энергия, которая хранится в мертвой органике, окончательно рассеивается в виде тепла при разрушении ее редуцентами.
Энергия в биогеоценозах бы разделяется на два потока: один начинается с живых организмов - продуцентов, второй - от мертвой органики. Вследствие этого в биогеоценозах формируются два типа цепей питания: пастбищного (цепи выедание) и детритного (идетрит (от лат. Детрита с - измельченный) - измельченные остатки организмов) (цепи разложения).
Цепи питания пастбищного типа начинаются с продуцентов и включают последовательно звена консументов I, II и других порядков и завершаются редуцентами. Цепи питания детритного типа начинаются с потребителей мертвой органики, далее ведут к видам, которые ими питаются, и завершаются также редуцентами.
В любом биогеоценозе разные цепи питания не существуют отдельно друг от друга, а переплетаются между собой. Это происходит потому, что организмы определенного вида могут быть звеньями разных цепей питания. Например, особи одного вида птиц могут потреблять как растительноядные (консументы II порядка), так и хищные виды насекомых (консументы III порядка) и т.д.. Переплетаясь, разные цепи питания формируют трофическую сеть биогеоценоза.
Различные биогеоценозы отличаются по своей продуктивности. Вы уже знаете, что есть разные цепи питания. Но всем им присущи определенные соотношения продукции (т.е. биомассы с энергией, расходуемых и запасаются на каждом из трофических уровней). Эти закономерности получили название правила экологической пирамиды: на каждом предыдущем трофическом уровне количество биомассы и энергии, которые запасаются организмами за единицу времени, значительно больше, чем на следующем (в среднем в 5-10 раз). Графически это правило можно изобразить в виде пирамиды, составленной из отдельных блоков. Каждый блок такой пирамиды соответствует производительности организмов на каждом из трофических уровней определенного цепи питания. Таким образом, экологическая пирамида является графическим изображением трофической структуры цепи питания.