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

2

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.

1 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.

2 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.

3

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 фототрофовихемотрофов.

Фототрофыиспользуют 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:

2 Н₂S + 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.

4

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.

крупные хищники

рыбы

зоопланктон

в одоросли (фитопланктон)

Рисунок 2 Экологическая пирамида биомассы океана.

5

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.