Экосистема замыкает круговорот веществ - ОРГАНИЗМЫ В СРЕДЕ ИХ ОБИТАНИЯ

Постановка проблемы урока

Факт1. Стремясь получить высокий урожай, человек вносит удобрения на поля.

Факт 2.Поверхностный сток выносит избыток органических веществ в соседние водоёмы. Это вызывает вспышку размножения цианобактерий и их потребителей, накопление мёртвой органики, исчерпание ресурсов кислорода и вымирание в водоёме всех аэробных организмов. Из-за опасности отравления вода этих водоёмов становится непригодной даже для купания.

• Достиг ли человек поставленной цели?

• Какая проблема в природе решается лучше, чем в хозяйстве человека? Предложите вопрос для исследования на уроке. Сравните свой вариант с вариантом авторов на с. 397.

Необходимые базовые знания

• Что такое круговорот веществ и экосистема? (9 класс)

• Какую роль в экосистеме играют продуценты, консументы и редуценты? (9 класс)

• Какие организмы относятся к авто- и гетеротрофам? (§ 13)

Решение проблемы

Единство сообщества и местообитания

• Что такое экосистема, какие необходимые компоненты она включает?

Всем организмам необходимо поступление веществ и энергии из окружающей среды. Животное питается другими живыми существами и поглощает из воздуха кислород; растению требуются углекислый газ, минеральные вещества и солнечная энергия. Поэтому живые организмы в отсутствие неживой природы существовать не могут.

Экосистема— единство биотических и абиотических (вода, воздух, почва, минеральные вещества и т.п.) компонентов природы, в котором сообщество совместно обитающих живых организмов способно общими усилиями поддерживать круговорот веществ (рис. 62.1).

62.1. Взаимосвязь компонентов экосистемы

• Приведите примеры взаимодействия компонентов экосистемы. Какое влияние на все компоненты оказывает энергия Солнца? Кто создаёт почву? Как растения влияют на микроклимат в экосистеме (влияние на температуру, влажность, силу ветра)? Как живые организмы влияют на газовый состав воздуха?

Сообщество - “двигатель” круговорота веществ

• Как действует круговорот веществ?

Рассмотрим для примера две хорошо знакомые экосистемы: озеро и лес (рис. 62.2).

Главная роль в преобразовании неорганических компонентов экосистемы принадлежитпродуцентам(от лат.producentis- создающий). Это автотрофные организмы — в основном зелёные растения, способные создавать органические вещества из неорганических в результате фотосинтеза. Солнце — главный источник энергии, поддерживающий круговорот веществ в экосистеме. Продуценты аккумулируют энергию и минеральные вещества в составе своих организмов, делая их доступными для оборота в экосистеме.

Продуценты — источник вещества и энергии дляконсументов(от лат.consumo— потребляю). К ним относятся гетеротрофные организмы, потребляющие готовые органические вещества, богатые энергией. Консументы первого порядка (растительноядные животные) получают их непосредственно от продуцентов, а консументы второго, третьего и следующих порядков (хищные животные) — опосредованно, в виде животной пищи.

Возвращение минеральных веществ в почву обеспечиваютредуценты(от лат.reducentis- возвращающий) - разрушители органических веществ до более простых, неорганических компонентов. К ним принадлежат главным образом бактерии и грибы, которые используют остатки отмерших организмов в виде растворов готовых органических веществ. Сохранённую в них энергию редуценты тратят на жизнедеятельность, благодаря которой минеральные вещества снова становятся доступными для продуцентов. Тем самым круговорот замыкается.

62.2. Символическая схема экосистемы: А — озера; Б — леса

• Опишите круговорот веществ в экосистеме. Что обозначают стрелки разного цвета? Какие роли играют живые организмы в круговороте веществ?

Цепи питания и трофические уровни

• Как трофические связи организмов отражаются в структуре экосистемы?

Цепь питания(трофическая цепь)— последовательность организмов, в которой каждый предыдущий служит пищей последующему. Эти взаимоотношения лежат в основе передачи вещества и энергии в экосистеме.

Трофический уровень организма— это порядковый номер его звена от начала трофической цепи. Организмы, получающие пищу через равное число звеньев, находятся на одном трофическом уровне независимо от того, принадлежат ли они к одной или разным цепям питания. Питание каждого организма разнообразно, поэтому он может одновременно принадлежать к разным цепям питания и занимать в них различный трофический уровень. В результате пищевые цепи превращаются в пищевые сети.

Примеры цепей питания на суше и в море

Приведённые выше цепи питания объединяют продуцентов и консументов, их называют цепями выедания. Они начинаются с растений, затем идут растительноядные организмы, а затем хищники. В цепях разложения (они наиболее распространены в лесах) большая часть продукции растений не потребляется животными, а отмирает, подвергаясь разложению редуцентами. Цепи разложения начинаются с остатков мёртвых организмов, идут к потребляющим их микроорганизмам и другим редуцентам, а от них расходятся по двум направлениям. Часть вещества и энергии организмов-редуцентов потребляется хищниками, т.е. переходит в цепи выедания. Другая часть пополняет мёртвую массу. На каждом этапе разложения мёртвой органики происходит упрощение состава веществ, вплоть до их минерализации. Для каждого этапа характерны свои виды-редуценты и их потребители-хищники (рис. 62.3).

62.3. Цепи разложения

Поток энергии через экосистему

• Почему число трофических уровней не бывает велико?

Вещество перемещается по круговороту без потерь: то, что не потребляют консументы, попадает к редуцентам. В то же время энергия Солнца, запасённая продуцентами, расходуется на жизнедеятельность и при каждом преобразовании рассеивается в виде тепла. Таким образом, энергия движется однонаправленным потоком. На новый трофический уровень переходит около 10% энергии, заключённой в биомассе предыдущего уровня.

62.4. Круговорот веществ (серые стрелки) и поток энергии (оранжевые стрелки) в экосистеме

• Объясните, почему мясо дороже овощей.

62.5. Эффект убывания энергии при переходе с одного трофического уровня на другой принято схематически изображать в виде “пищевой пирамиды”

• Почему “пирамида” численности и биомассы трофических уровней сообщества иногда выглядит иначе?

Замкнутый круговорот - итог эволюции

• Как приспособительная направленность эволюции влияет на эффективность использования ресурсов в экосистемах?

Благодаря взаимосвязанной деятельности всех живых организмов круговорот веществ в экосистеме замкнут или почти замкнут. Сколько ресурсов использует экосистема, столько она и восстанавливает — по крайней мере, в среднем за год на достаточно большой площади. Небольшие расхождения касаются отдельных местообитаний и периодов с аномальными условиями. Как достигается это удивительное равновесие?

В случае появления излишков ресурсов рано или поздно находится вид, который сможет их использовать. За счёт успешного размножения его численность возрастает, а излишки ресурсов сокращаются. Если же, наоборот, возникает дефицит ресурсов, то снижается выживаемость его потребителей и численность их популяций устанавливается на новом уровне равновесия.

В зависимости от длительности существования избыточного ресурса в экосистеме последовательно включаются различные способы саморегуляции. Сначала срабатывают механизмы адаптивного поведения: перестройка специализированного потребителя на запасание излишков и переключение неспециализированных потребителей на избыточный ресурс. Затем подключаются экологические механизмы: скопление кочующих потребителей и размножение местных. Позднее можно ожидать вселение видов из удалённых сообществ в результате расширения ареала. Наконец, естественный отбор приводит к усилению эффективности каждого способа использования избыточного ресурса всеми потребителями путём углубления их адаптаций.

Таким образом, все способы саморегуляции, приводящие к замыканию круговорота в экосистеме, созданы адаптивной эволюцией. Адаптации относительны, поэтому реакция на появление “излишков” будет тем быстрее, чем “привычнее” данный вид ресурса и чем ближе абиотические условия к экологическому оптимуму для сообщества.

Агроэкосистема - искусственная экосистема

• Чем отличается агроэкосистема от природной и каким образом можно поддерживать её урожайность?

Агроэкосистемы— искусственные экосистемы, созданные с целью получения сельскохозяйственной продукции и регулярно поддерживаемые человеком. Большинство сельскохозяйственных земель представлено искусственными травянистыми экосистемами. Как правило, это монокультурные посевы: их легче возделывать, проще собирать и обрабатывать урожай. По экологическим свойствам они сходны с ранними и средними стадиями сукцессии. Оставленные без ухода, они заселяются видами соответствующей стадии природного сообщества. В чём же причины такой невысокой устойчивости?

Изъятие урожая приводит к тому, что круговорот перестаёт быть замкнутым. Недостаток детрита и, следовательно, редуцентов приводит к ухудшению структуры почвы, поэтому она требует ежегодной механической обработки — вспашки, боронования и т. д.

Острее всего сказывается недостаток минеральных ресурсов для растений. Приходится затрачивать силы на производство, транспортировку и внесение удобрений. Они тем не менее восполняют не весь минеральный комплекс, и плодородие почв постепенно снижается.

62.6. Нарушение круговорота в агроэкосистеме

• Кому достаётся урожай экосистемы поля? Много ли органических отходов достаётся редуцентам? Что вынужден везти человек на поля?

62.7. Вредители съедают 1/3 урожая агроэкосистем

Сельскохозяйственная монокультура менее конкурентоспособна, чем местные виды растений, готовые здесь поселиться, начать конкурентное вытеснение и сукцессионную смену растительности. На борьбу с ними направлена дополнительная обработка земли, прополка, внесение гербицидов.

Культивируемые виды растений — “привычное блюдо” для многих местных потребителей. Они образуют дополнительный ресурс, на использование которого направляется весь арсенал средств сообщества.

Рост обилия потребителей — насекомых и грызунов — облегчается малочисленностью консументов более высокого порядка: они не находят здесь необходимых экологических условий. Для защиты растений приходится изобретать и постоянно обновлять высокотоксичные пестициды направленного действия. Однако, несмотря на непрекращающуюся борьбу, мы по-прежнему вынуждены отдавать прожорливым насекомым и грызунам треть выращенного урожая.

Для поддержания высоких урожаев и борьбы с вредителями современному сельскому хозяйству потребовалось в десятки раз увеличить свою энерговооружённость, использовать достижения промышленности. С каждым годом зависимость агроэкосистем от человека только возрастает. Только такой ценой удаётся кормить растущее население Земли.

Обобщение новых знаний

Экосистема - единство биотических и абиотических компонентов природы, в котором сообщество организмов способно поддерживать круговорот веществ, движимый потоком энергии. Продуценты, консументы и редуценты, представленные множеством видов, приспособленных к условиям своего обитания, образуют пищевые сети, замыкающие круговорот веществ в экосистеме. Соответствие количества ресурсов и их потребителей обеспечивается разнообразием экологических механизмов, выработанных в ходе адаптивной эволюции видов природного сообщества. Искусственное сообщество, в особенности монокультура, не обладает этими качествами, оно всегда крайне неустойчиво. Функционирование агроэкосистем обеспечивается дополнительными энергозатратами, постоянным уходом, внесением химикатов.

Экосистема. Продуценты, консументы, редуценты. Цепи питания. Трофические уровни. Агроэкосистемы

Применение знаний

1. Как биотическое сообщество обеспечивает постоянство экосистемы?

2. Чем определяется существование пищевых цепей?

3. Какие следствия имеет замкнутый круговорот веществ?

4. Что происходит с энергией, вовлечённой в круговорот веществ?

5. Какими свойствами не обладает агроэкосистема?

6. В отсутствие редуцентов органические вещества будут распадаться. Почему же жизнь без редуцентов невозможна?

7. Приведите примеры необратимой деградации экосистемы из-за нарушения круговорота веществ деятельностью человека.

8. Как вы считаете, почему понятия “экосистема” и “экология” ранее были знакомы лишь специалистам, а теперь стали известны каждому обывателю?

9. С помощью дополнительной литературы и Интернета составьте цепь питания из четырёх видов живых организмов.

10. Выберите из списка виды и объедините их в две цепи питания: лисица, ель, серая полёвка, блоха, ястреб-перепелятник, пухоед, мятлик луговой, клёст.

11. Согласны ли вы с мнением, что ради того, чтобы накормить всё население Земли, можно не думать о последствиях роста потребления энергии и пестицидов?

Мои биологические исследования

Изучение изменений в экосистемах на биологических моделях (аквариум)

Растениям в аквариуме необходим свет. В воздухе - даже в комнате - всегда присутствуют споры цианобактерий и зелёных водорослей. Они попадают в аквариум и развиваются на стенках. Поэтому стеклянные стенки аквариума со временем покрываются зелёным налётом - особенно быстро, если аквариум стоит на окне.

Проведите наблюдения за зарастанием стёкол вашего аквариума цианобактериями и зелёными водорослями. Какое влияние на этот процесс оказывают моллюски? Опишите, как происходит зарастание при различной освещённости и численности моллюсков. Объясните различия. Создайте презентацию вPowerPoint, на которой отразите свои наблюдения.