Базовый Модуль I. Организмы и окружающая среда

Тема 4. Биотический компонент экосистемы Работа 7. Пищевые цепи и экологические пирамиды

Общие сведения. Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ. Энергия – это способность совершать работу. Экосистема, как живой механизм, потребляет энергию и питательные вещества для совершения работы. В экосистеме происходит постоянный круговорот питательных веществ (биогеохимический цикл), в котором участвуют как биотический, так и абиотический компоненты. Энергия Солнца служит движущей силой этого круговорота, а также регулирует климатические факторы абиотического компонента (температура, движение атмосферы, испарение, осадки). Энергия существует в виде различных форм (химическая, физическая, тепловая, электрическая и др.), взаимопревращение которых подчиняется законам термодинамики. Первый из них (закон сохранения) гласит, что энергия может превращаться из одной формы в другую, но не может быть создана или уничтожена. По второму закону при совершении работы энергия не может быть использована на 100%, и часть её непременно теряется в виде тепла. Тепло есть результат хаотичного движения молекул, тогда как работа всегда означает упорядоченное использование энергии.

Таким образом, живые организмы – это преобразователи энергии, при любом превращении энергии происходят теплопотери, а в итоге вся энергия, поступившая в биотический компонент экосистемы, рассеивается в виде тепла. Тепло может совершать работу (например, в паровозе), однако энергозатраты на этот процесс намного превышают энергоотдачу. Поэтому в экосистеме происходит не круговорот энергии, а её линейная передача по пищевым цепям. Изучение потока энергии через экосистемы называется энергетикой экосистем, количество энергии измеряют в джоулях (1 Дж=10⁶ эрг; 1 эрг – работа, производимая силой в 1 Н на пути в 1 м) и калориях (1 калория – количество энергии, требуемое для нагрева 1 г воды на 1 градус по Цельсию). Взаимоотношения организмов в экосистеме графически представляют в виде пищевых сетей или пирамид (численности, биомассы, энергии).

Задание 1. Рассмотреть соотношение ежедневной энергетической потребности различных организмов на рис. 1и ответить на вопросы. Почему содержание энергии указано в пересчете на сухую, а не на сырую массу? Чем можно объяснить большое различие суточной потребности в энергии на единицу массы тела у человека и мелких животных?

1.
2.
Задание 2. На рис. 2отображены пирамиды численности (I–IV– трофические уровни). Объяснить, чем обусловлены отличия пирамид численности Б и В от типичной пирамиды А.
			Рис. 2. Пирамиды численности

Задание 3. Одноклеточные жгутиковые организмыLeptomonasпаразитируют на мелких насекомых, в одной блохе обнаруживаются тысячи лептомонасов. Построить пирамиду численности на основе пищевой цепи: трава – травоядные – блохи – Leptomonas.

Задание 4. Рассмотреть на рисунке3пирамиды биомассы озёрного планктона в зимний (а) и весенний (б) периоды, дать письменные комментарии.

Рис. 3. Пирамиды биомассы в экосситеме озера в различные сезоны года

1. Цифры на графике обозначают:
2. В течение года пирамида переворачивается потому, что:
3. Сезонные изменения пирамид биомассы характерны для _____________ (наземных или водных) экосистем, в которых первичным продуцентом служит

Задание 5. Дать письменные пояснения к рис.4.

		Рис. 4. Пирамида энергии
1. Цифры на графике обозначают:
2. Связь между пирамидой энергии и вторым законом термодинамики состоит в том, что:

Задание 6. Рассмотреть рис.5и письменно ответить на вопросы.

Рис. 5. Поток энергии через пищевую цепь

R –	энергия, теряющаяся при дыхании		Е –	энергия, заключённая в выделениях, экскрементах и переходящая из пастбищной пищевой цепи к детритоядным организмам и редуцентам
С –	потребление организмами высшего трофического уровня			Размерность величин – кДж·м ^–2·год ^–1.

1. Длина пищевой цепи лимитируется размерами:

2. Отношение световой энергии, поглощаемой растениями, к чистой первичной продукции составляет:

3. Ээффективность переноса энергии от начального этапа к последующим:

4. Коэффициент эффективности переноса энергии от растений к травоядным животным в среднем составляет (%):

5. Коэффициент эффективности переноса энергии от животных к животным в среднем составляет (%):

Задание 7. Рассмотреть рис.6и письменно ответить на вопросы.

Рис. 6. Поток энергии через небольшую часть луговой экосистемы

(размерность величин: кДж·м^–2·год^–1)

1.	Какова валовая первичная продукция злаков и разнотравья?
2.	Какова эффективность преобразования солнечной энергии в общую продукцию экосистемы?
3.	Чему равна в отдельности чистая продукция птиц,
	питающихся семенами, паукообразных и кузнечиков?
4.	Сколько энергии теряется при экскреции метаболитов у полевых мышей?
5.	Какие организмы являются продуцентами, первичными консументами и вторичными консументами?
6.	Какие организмы относятся к гетеротрофам?
7.	Назовите другие пути (не менее трёх) для потоков энергии.

Задание 8. Рассмотреть рис. 7 и письменно ответить на вопросы. Рис. 7. Количество пестицида в биомассе организмов на различных трофических уровнях пищевой цепи
1.	Концентрация пестицида в воде, окружающего водные растения, составляет 0,02 части /млн, тогда при переходе пестицида в организмы а) первичных продуцентов, б) мелких рыб, в) крупных рыб г) хищных птиц она возрастет соответственно в:
2.	Трофический уровень, на котором пестицид окажет наибольшее влияние – это:
3.	Трофический уровень, на котором пестицид легче всего обнаружить – это:
4.	Трофический уровень, на котором находится обычная «мишень» для пестицида – насекомые – это:
5.	Почему с помощью пестицидов не удаётся уничтожить мелких двукрылых насекомых и почему они так быстро восстанавливают свою численность после повторного применения ядохимиката?
6.	Почему многие животные в наибольшем количестве погибают от отравления
	пестицидами в периоды наиболее острой нехватки пищи и особенно суровых холодов.
7.	Сделать заключение о химической устойчивости и динамике накопления пестицидов в пищевых цепях.
8.	Какими свойствами должен обладать идеальный пестицид?

Задание9. Если бы энергия, пришедшая к поверхности Земли за 1 день, полностью преобразовалась в ходе фотосинтеза в химическую энергию, то образовавшихся углеводов было бы достаточно, чтобы прокормить человечество в течение года. Назвать не менее трёх причин, по которым только очень небольшая часть солнечной энергии преобразуется растениями в углеводы.

Задание 10. Ознакомиться с информацией и выполнить расчёты.

Ежегодно 3×10²⁴Дж солнечной энергии достигает поверхности Земли. Разведанные запасы ископаемого топлива на Земле составляют 3×10²²Дж. Потребности человечества в энергии оцениваются величиной 3×10²⁰Дж.

1. Количество дней, за которые Солнце «доставит» на Землю энергию, равную 3×10²²Дж, равно.

2. Количество энергии, обеспечивающей потребность людей исключительно за счёт солнечного излучения, составляет:

3. Чтобы обеспечить потребность людей в энергии исключительно за счёт солнечного излучения, необходимо покрыть солнечными коллекторами с к.п.д.=10% долю земной поверхности, равную ____________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

Задание 11. Трофическая цепь имеет следующий вид: планктон, нехищные рыбы, хищные рыбы, дельфин. На основании правила экологической пирамиды определить, сколько нужно планктона, что бы в море вырос один дельфин массой 300 кг.