МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (НИЯУ МИФИ)
НОВОУРАЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
КАФЕДРА УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ
ЭКОЛОГИЯ
ОПИСАНИЕ И АНАЛИЗ
ТРОФИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ЭКОСИСТЕМ
Методические указания
по выполнению практической работы
по курсу «Экология»
для студентов всех специальностей и направлений
всех форм обучения
Новоуральск 2013
УДК 574 (075.8)
МиМ_________13
Описание и анализ трофической структуры экосистемы.
Методические указания по выполнению практической работы по курсу «Экология» для студентов всех специальностей и направлений всех форм обучения. – Новоуральск: изд. НТИ НИЯУ «МИФИ», 2013. – 13с.
Составила ст. преподаватель Гацкова Ю.В.
Методические указания рассмотрены на заседании кафедры «Физического воспитания и
безопасности жизнедеятельности»
«___»________2013 г. протокол №____
Зав.кафедрой УК
к.т.н. А.В.Карякин
СОГЛАСОВАНО:
Председатель методической комиссии НТИ
д.т.н., профессор А.Е. Беляев
Тема: ОПИСАНИЕ И АНАЛИЗ ТРОФИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ЭКОСИСТЕМ
ВВЕДЕНИЕ
В практической работе «Описание и анализ трофической структуры экосистем» студенты знакомятся с закономерностями функционирования экосистем, с понятиями: продуктивность экосистемы, трофическая цепь, круговорот веществ, потоки энергии и др. В данной практической работе подробно рассматриваются все звенья трофических цепей, взаимосвязь между ними.
Студенты приобретают умение строить экологические пирамиды энергии, биомассы и численности экосистем, учатся их анализировать и делать выводы.
При выполнении практической работы студенты рассчитывают КПД различных пирамид энергии.
Данная практическая работа позволяет показать необходимость знания экологических законов функционирования экосистем, чтобы не нарушить их равновесие в ходе хозяйственной деятельности.
Методика содержит необходимые для реализации заявленной цели сведения, в том числе и справочную информацию. Приведённый в методике полный перечень контрольных вопросов по материалам практического занятия и наличие ответов в тексте позволяет студентам получить и систематизировать знания по данной теме.
Практическая работа направлена на формирование у студентов экологического мировоззрения.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ
Целью работы является систематизация и углубление знаний по теме практической работы, изучение закономерностей функционирования экосистем.
Задачи работы:
1 изучение теории по теме работы;
2 расчет коэффициента полезного действия (КПД) различных пирамид энергий;
3 изучение, сравнение экологических пирамид биомассы различных экосистем;
4 построение экологической пирамиды численности;
5 составление выводов по расчетам и графикам.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
2.1. Биотоп – однородные участки суши или воды, заселенные живыми организмами; - совокупность экологических факторов местообитания.
Биоценоз – исторически сложившееся сообщество организмов разных видов, обитающих на определенной территории.
Экосистема – совокупность живых организмов, взаимодействующих друг с другом и с ОС посредством обмена веществ, энергией и информацией.
Различают экосистемы разных рангов:
-микроэкосистемы (небольшие водоемы, трухлявый пень…);
- мезоэкосистемы (лес, река, пруд…);
- макроэкосистемы (океан, континент);
- глобальная экосистема – биосфера.
Таким образом, наиболее крупные экосистемы включают в себя экосистемы меньшего ранга.
Между организмами в экосистеме устанавливаются прочные пищевые взаимоотношения.
Цепь питания – основной канал переноса энергии, заключенной в пище, в экосистеме.
Место каждого звена в цепи питания называют трофическим уровнем.
Внутри экосистемы содержащие энергию органические вещества создаются автотрофными (аутотрофными) организмами и служат пищей (источником вещества и энергии) для гетеротрофов.
Типичный пример цепи питания: растение – травоядное животное – хищник.
Такая последовательность называется пищевой цепью, а каждое ее звено – трофическим уровнем.
Первый трофический уровень занимают автотрофы, или так называемые продуценты. Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами, третьего – вторичными консументами и т.д.
Автотрофы - организмы, получающие все нужные им для жизни химические элементы из окружающей косной (неживой) материи и не нуждающиеся в готовых органических соединениях другого организма для построения собственного тела. Образно говоря, автотрофы являются кормильцами биосферы: они не только питаются сами, но и кормят (своим телом) других. Поэтому их называют продуцентами. Автотрофы делятся на фототрофов и хемотрофов.
Фототрофы используют энергию излучения Солнца. За счет этой энергии они синтезируют органические соединения: углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты и др. Такой биосинтез, который происходит благодаря энергии света, называется фотосинтезом. Отметим, что зеленый цвет растений обусловлен содержанием в их клетках хлорофилла, поглощающего свет в красной и синей частях спектра и пропускающего лучи, которые дают при их смешении зеленый цвет. Некоторые водоросли и бактерии имеют и иные светопоглощающие пигменты, что придает им бурый, красный или пурпурный цвет.
Исходными веществами для фотосинтеза служат диоксид углерода атмосферы и вода:
энергия света
хлорофилл
6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О 2↑(1)
глюкоза
Часть синтезируемой при фотосинтезе глюкозы является источником энергии для всех последующих процессов жизнедеятельности растения, в т.ч. и его роста (развития).
Сложные органические вещества для построения своих тел создают не только зеленые растения, но и бактерии, которые не содержат хлорофилла. Этот процесс – хемосинтез – осуществляется благодаря энергии, выделяющейся при химических реакциях окисления различных неорганических соединений: сероводорода, водорода, аммиака, оксида железа (II) и др.
Примером хемотрофов является серобактерии, живущие в водоемах.
Энергию (Е), которая необходима для синтеза органических соединений из диоксида углерода, они получают в результате окисления сероводорода:
2Н2S + O2 2H2O + 2S + E (2)
Затем протекает реакция (1).
Гетеротрофы – это организмы, использующие для своего питания чужие тела (живые или мертвые), т.е. готовые органические вещества. Очевидно, что жизнедеятельность гетеротрофов полностью определяется синтетической активностью автотрофов.
Среди гетеротрофов выделяют растительноядных (фитофагов) и плотоядных. Плотоядные делятся на три группы: убивающие объект питания (хищники); питающиеся за счет других организмов, но не убивающие их (паразиты, кровососы); питающиеся отмершей органикой.
Гетеротрофные организмы выполняют в экологических системах роль консументов – потребителей (к ним относятся все животные, часть микроорганизмов и т.д.) и редуцентов - деструкторов (главным образом грибы и бактерии). Редуценты (детритофаги, сапрофаги) в процессе своего питания превращают пищу – органические остатки – в неорганические вещества (СО2, Н2О, микроэлементы), возвращая таким образом их в биосферу.
2.2. В конкретных цепях питания можно проследить и рассчитать передачу той энергии, которая заключается в растительной пищи. Подсчитано, что на каждом этапе передачи вещества и энергии по первой цепи теряется примерно 90 %, и только около одной десятой доли ее переходит к очередному потребителю. Это правило передачи энергии в пищевых связях организмов называют «правилом десяти процентов». Для изучения взаимоотношений между организмами в экосистеме и для графического представления этих взаимоотношений удобнее использовать не схемы пищевых сетей, а экологические пирамиды (пирамиды численности, пирамиды биомассы и пирамиды энергии).
Органическая масса, создаваемая растениями за единицу времени, называется первичной продукцией, а продукция консументов – вторичной.
Часть производимой продукции (биомассы, энергии) идет на поддержание жизнедеятельности самих растений (затраты на дыхание). В тропических лесах и зрелых лесах умеренной полосы она составляет 40 - 70 % от первичной продукции. Этим объясняется потеря энергии в трофической цепи («правило десяти процентов»). Оставшаяся часть созданной органической массы характеризует чистую первичную продукцию, которая поступает к консументам и редуцентам. Постепенно перерабатываясь в цепях питания, она идет на пополнение биомассы гетеротрофных организмов.
Биомасса – это энергия всей совокупности особей биоценоза, выраженная в граммах или в калориях, исходя из того, что 1 грамм сухого органического вещества при сгорании дает в среднем 4,5 ккал энергии.
Биологическая продуктивность – это скорость образования биомассы.
Всем экосистемам отвечают определенные соотношения первичной и вторичной продукции, называемые правилом пирамиды продукции: на каждом предыдущем трофическом уровне количество биомассы, создаваемой за единицу времени, больше, чем на последующем. Пример экологической пирамиды экосистемы степи показан на рисунке 1:
Рисунок 1 Экологическая пирамида биомасс степи.
Пирамида биомасс может иметь и перевернутый вид. Например, экологическая пирамида для океана (см. рисунок 2). Основными продуцентами в океане являются одноклеточные водоросли. Вся чистая первичная продукция так быстро поедается, что накопление биомассы водорослей весьма мало. Тем не менее, из-за высоких темпов размножения небольшой их запас вполне достаточен для обеспечения органическим веществом (т.е. питанием) всего океана. На высших трофических уровнях преобладает тенденция к накоплению биомассы, поскольку длительность жизни крупных хищников (например, кита) велика, в их телах задерживается значительная часть вещества, поступающего по цепям питания.
|
|
водоросли (фитопланктон)
Рисунок 2 Экологическая пирамида биомассы океана.
Пирамида энергии характеризует скорость возобновления биомасс. Она никогда не бывает «перевернутой». Здесь действует «правило десяти процентов».
Точные расчеты потока энергии и масштабов продуктивности экосистем позволяют регулировать в них круговорот веществ таким образом, чтобы обеспечить наибольший выход необходимой для людей продукции. Наряду с этим, очень важно хорошо представлять допустимые пределы изъятия растительной и животной биомассы из природных систем. В противном случае может быть подорвана их продуктивность и нарушено равновесие.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
3.1. Изобразить пирамиду энергии и рассчитать коэффициент полезного действия при передаче энергии в каждом звене следующей пищевой цепи за год:
люцерна телята мальчик
Энергия, заключенная в люцерне составляет 14,9 млн. калорий, в телятах содержится 1,19 млн. калорий, мальчик получает 8300 калорий.
Эффективность передачи энергии (КПД) в основных звеньях пищевой цепи рассчитывается по формуле:
В
КПД = ------------- х 100 %
П
где:
П – количество полученной энергии данным звеном трофической цепи;
В – количество усвоенной (аккумулированной) энергии в данном звене пищевой цепи (продукция звена).
Какое количество солнечной энергии (в калориях) нужно для поддержания жизни мальчика, если учесть что, КПД продукции люцерны составляет в данном случае 0,24 %? [14,9 млн. калорий составляет 0,24 % от всей солнечной энергии, полученной люцерной]
(формулу для расчета смотри ниже)
Солнце люцерна телята мальчик
3.2. Рассчитать эффективность (КПД) передачи энергии (в %) в основных звеньях пищевой цепи в океане, исходя из следующих цифр:
- на 1 м2поверхности океана приходится в среднем около 3 млн. калорий солнечной энергии в сутки.
- продукция диатомовых водорослей за этот же период на ту же площадь составляет 9000 калорий, зоопланктона – 4000, рыб – 5 калорий в сутки.
3 млн. калл 9000 калл 4000 калл 5 калл
Солнце водоросли зоопланктон рыбы
3.3. На рисунке 3 представлены данные о биомассе на корню для продуцентов и первичных консументов в озере на протяжении года и об изменении некоторых параметров окружающей среды.
По данным рисунка определите:
а) В какие месяцы была получена перевернутая пирамида биомассы?
б) Чем можно объяснить:
− Весеннее увеличение биомассы фитопланктона (продуценты);
− Быстрое падение биомассы фитопланктона в летние месяцы;
− Увеличение биомассы фитопланктона осенью;
− Уменьшение биомассы фитопланктона зимой.
увеличение
количества
я ф м а м и и а с о н д месяцы
Рисунок 3 Биомасса озера в различное время года в зависимости
от температуры и света
3.4 Сравнить ежегодный прирост зеленой массы и запасы мертвых растительных остатков (подстилки – в лесах, ветоши – в степях) в природных экосистемах (см. таблицу 1).
Определить, в каких экосистемах круговорот веществ более интенсивен. Свой выбор обоснуйте.
Таблица 1 Ежегодный прирост зеленой массы и запасы мертвых растительных
Остатков
| Экосистемы | Прирост, ц/га | Подстилка (ветошь), ц/га |
| Арктические тундры Ельники средней тайги Дубравы Степи Пустыни саксауловые Влажные тропические леса Сфагновые болота | - 1000 и более |
3.5 Жгутиковые простейшие Leptomonas паразитируют на мелких насекомых, тысячи их могут быть найдены в одной блохе. Постойте пирамиду численности на основе следующей пищевой цепи:
трава травоядное блоха Leptomonas
млекопитающее
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
4.1 Дайте определение экосистемы.
4.2 Дайте определение продуцентов, консументов, редуцентов, автотрофов и гетеротрофов.
4.3 Каким образом все живые организмы связаны между собой?
4.4 Приведите пример трофической цепи.
4.5 Перечислите уровни трофической цепи.
4.6 Объясните механизм фотосинтеза.
4.7 В чем отличие фототрофов от хемотрофов?
4.8 В чем заключается планетарная роль фотосинтезирующих организмов?
4.9 Какова роль редуцентов в биосфере?
4.10 Приведите примеры консументовI порядка, II порядка, III порядка.
4.11 Какова роль консументов (в т.ч. и человека) в биосфере?
4.12 Какова роль солнечной энергии для всего живого на Земле?
4.13 Объясните причины потери энергии в трофической цепи.
4.14Сформулируйте «правило десяти процентов».
4.15Дайте определение биомассы.
4.16Почему экологическая пирамида для океана имеет перевернутый вид?
4.17Для чего необходимо уметь рассчитывать потоки энергии и масштабы продуктивности экосистем?
Требования к оформлению и содержанию отчета
Отчет о выполненной работе оформляют на листах формаА -4.
Форма титульного листа приведена в приложении 1 данного пособия и СТП НТИ -2- 2012
Отчет содержит:
- дату выполнения работы;
- тему работы;
- цель работы;
- порядок проведения работы;
- расчеты;
- выводы по результатам работы;
- ответы на контрольные вопросы.
ЛИТЕРАТУРА
6.1 Экология: Учебник для технических вузов / Л.И. Цветкова, М.И. Алексеев и др.; Под ред. Л. И. Цветковой. – М.: Изд-во АСВ; СПб.: Химиздат, 1999. – 488 с.: ил.
6.2 Гарин В.М., Клёнова И.А., Колесников В.И. Экология для технических вузов. / Под ред. В.И. Колесникова. – Ростов н/Д.: Феникс, 2001. – 384 с.
6.3 Протасов В.Ф., Матвеев А.С. Экология: Термины и понятия. Стандарты, сертификация. Нормативы и показатели: Учеб.и справочное пособие. – М.: Финансы и статистика, 2001. – 208 с.
6.4 Хотунцев Ю.Л. Экология и экологическая безопасность: учебное пособие. – М.: Академия, 2004. – 480 с.
6.5 Вронский В.А. Экология: словарь-справочник. – Ростов н/Д: Феникс, 2002. –576 с.
