Конспект урока: Экосистема. Биогеоценоз. Круговорот веществ и поток энергии в экосистеме

Историческая справка

В 50-е годы XX века на острове Калимантан в Индонезии в ходе борьбы с малярией стали опрыскивать местность пестицидом ДДТ. Вспомним: малярия — это тяжёлое инфекционное заболевание, вызываемое протистами рода Plasmodium, которые попадают в кровь при укусе переносчика малярийного комара. Каждый год заражается около 283 млн, из них погибают около 367 тыс. Пестицид отравлял переносчика малярии, но не только комары стали жертвой ДДТ. Попадая в организм тараканов, он делал животное вялым. Тараканов поедали ящерицы, получая свою дозу яда. Затем ящериц ловили домашние кошки. Так яд проникал в другие организмы. Ящерицы погибали, что привело к резкому увеличению насекомых. Кроме того, города наводнили крысы, заражённые блохами. А последние являлись переносчиками чумы. В итоге на острове вспыхнула чума. ДДТ был запрещён, эксперимент прекратили.

Эта история показывает, как важно знать законы, по которым существует жизнь в природе.

Основные понятия: биоценоз, биогеоценоз, экосистема

Рис. 1. Карл Август Мёбиус

В природе организмы связаны между собой, а также с факторами неживой природы. Совместно проживающие виды растений, грибов, животных и микроорганизмов влияют друг на друга. Для их существования необходимы также абиотические факторы: свет, вода, тепло.

 

Совместно обитающие виды живых организмов на определённой территории называют биоценозом. Термин ввёл немецкий учёный Карл Август Мёбиус (1825–1908). Биоценоз складывается из популяций видов, которые взаимно влияют друг на друга.

Размеры биоценоза определяются абиотическими факторами, или биотопом, — однородным участком суши или водоёма, на котором длительное время существует биоценоз.

Биоценоз ограничен рамками биотической среды, т. е. совокупностью условий, созданных этими же живыми организмами. Чаще всего речь идёт про растения. Вся совокупность растений, или фитоценоз, определяет внешний вид биоценоза, условия, места обитания для остальных компонентов. Например, сравним два биоценоза: сосновый лес и еловый бор. Из-за различий в фитоценозах (еловые леса тёмные и влажные из-за елей, сосновые, наоборот, светлые) видовой состав животных будет отличаться.

Рис. 2. Артур Джордж Тенсли (1871–1955)

Но живые организмы не только взаимодействуют между собой. Неживая природа — поставщик неорганических веществ, тепла, энергии, места обитания. Расширяя границы, речь идёт уже о совокупности живых организмов и факторов абиотической среды на определённой территории. Такая система называется биогеоценоз. Её границы всегда будут определены фитоценозом.

 

Если взглянуть ещё шире, то между живой природой и неживой на определённой территории идёт круговорот веществ и поток энергии. Тогда мы будем говорить уже об экосистеме.

Термин ввёл английский учёный Артур Джордж Тенсли в 1935 г.

Компоненты экосистемы

Существуют экосистемы различного масштаба: трухлявый пень, лужа или поле, озеро, парк. Любая экосистема имеет чёткую структуру.

Экосистема состоит из абиотической среды и биоценоза.

1) Абиотическая среда (экотоп) объединяет климатические условия (свет, температуру, влагу, воздух) и биокосный компонент (почву).

2) Биоценоз состоит из трёх компонентов:

• продуцентов — производителей органических веществ. К ним относятся автотрофные организмы, способные производить питательные вещества из неорганики. К этой группе относятся растения, хемо- и фотосинтезирующие бактерии;
• консументов — потребителей органических веществ, гетеротрофов. Консументы первого порядка поедают продуцентов, консументы второго порядка поедают консументов первого порядка (хищники) и т. д.;

• редуцентов, или деструкторов — разрушителей органических веществ. Сапротрофные бактерии и грибы разрушают детрит (остатки растений, животных, экскременты).

Наличие всех компонентов обеспечивает целостность, саморегуляцию, саморазвитие, устойчивость, самоподдержание экосистемы.

Рис. 3. Компоненты экосистемы

Трофические связи в экосистеме

 

Внутри экосистемы выделяют трофические уровни. Это группы организмов одного типа питания. Питаться неорганическими веществами способны только продуценты, остальные должны получать где-то энергию и питание.

Отношения между организмами в экосистеме часто складываются по принципу хищник – жертва. При поедании одних организмов другими органические вещества и заключённая в них энергия переходят по трофическим связям. При этом значительная часть пищи организмами не усваивается. 

Трофическая цепь — это схематичное изображение потока вещества и энергии от одного трофического уровня к другому.

растения леса → жук-листоед → ящерица → ёж

Существует лишь однонаправленный поток энергии, так как на каждом уровне эта энергия расходуется организмами.

Рис. 4. Трофические цепи

Различают 2 типа трофических цепей в зависимости от первого трофического уровня: цепи пастбищные, или выедания, (начинаются с продуцентов) и цепи разложения (начинаются с детрита).

 

Часто одни и те же организмы становятся пищей для разного числа других видов. Поэтому чаще используют трофическую сеть — переплетение цепей питания в экосистеме.

Основные показатели в экосистеме

Для характеристики экосистемы используют такие понятия: биомасса и продукция экосистемы. 

Биологическая продуктивность экосистем связана с передачей энергии от одного трофического уровня другому, что сопровождается тратами энергии на дыхание.

Рис. 5. Поток энергии в экосистемах

Экологические пирамиды

 

Существует три типа экологических пирамид: чисел, биомассы и энергии. В основании пирамиды всегда первый трофический уровень. Пирамида чисел отражает количество особей на каждом уровне. С каждой ступенью числа будут уменьшаться. Пирамида биомассы отражает величину биомассы на каждом уровне. Самая большая у растений, далее резко снижается. 

Пирамида энергии наилучшим образом отражает динамику прохождения энергии через пищевую цепь.

Рис. 6. Пирамида энергии

---

Правило Линдемана :  только 10 % потока энергии переходит с более низшего уровня на более высший. А общее число уровней не может превышать 6.

---

Пример 

 

Сколько тонн  фитопланктона понадобится, чтобы вырос один белый медведь весом 150 кг? 

 

Пищевая цепь: фитопланктон → зоопланктон → сельдь → тюлень → белый медведь.

 

При расчёте массы и энергии снизу вверх убираем по одному нулю при переходе на каждый уровень, а если движемся сверху вниз, то добавляем по одному нулю.

150 кг масса медведя ← 1 500 кг тюленя ← 15 000 кг сельди ← 150 000 зоопланктона ← 

1 500 000 кг фитопланктона = 1 500 тонн

 

Ответ: понадобится 1 500 тонн фитопланктона, чтобы вырос медведь массой 150 кг.