дуцентов к консументам, неуклонно уменьшается. В основе этой закономерности лежит тот факт, что для уравновешивания массы большого тела необходимо много маленьких. Кроме того, количество особей уменьшается и из-за правила 10%. Играет роль и обратная зависимость метаболизма: чем мельче особь, тем интенсивнее обмен веществ, тем выше скорость роста их численности и биомассы. Пирамиды чисел сильно различаются для различных экосистем.

Пирамиды биомасс отражают массу живого вещества – общий сухой вес, калорийность и т.д. В наземных экосистемах действует следующее правило биомасс: суммарная масса растений превышает массу всех травоядных, а их масса превышает всю биомассу хищников. Для водных экосистем пирамида биомасс имеет перевернутый вид, так как для них характерно накапливание биомассы на высоких уровнях, у хищников. Хищники живут долго, скорость смены поколений низка, а у планктона (продуцентов) продолжительность жизни мала, поколения быстро сменяют друг друга. Оборачиваемость может в сотни раз превышать запас биомассы.

Пирамиды энергии, имеющие универсальный характер, отражают расходование энергии в трофических цепях. В природе, в стабильных экосистемах, биомасса изменяется незначительно. Знание энергетики экосистем и количественные её показатели позволяют точно учесть возможность изъятия из природной экосистемы того или иного количества растительной или животной биомассы без подрыва её продуктивности.

7.5. Продуктивность экосистем

Продуктивность экосистемы – это скорость, с которой продуценты усваивают лучистую энергию Солнца в процессе фотосинтеза и хемосинтеза, образуя органическое вещество, которое затем может быть использовано в качестве пищи. Продуктивность растений называют первичной, а продуктивность животных – вторичной.

Биомасса – вся живая органическая масса, которая содержится в экосистеме, независимо от того, в какой период она образовалась. Биомассу обычно выражают через сырой или сухой вес, но можно выражать её и в энергетических единицах – в калориях, джоулях, что позволяет выявить связь между величиной поступающей энергии и средней биомассой. Величина биомассы зависит не столько от продуктивности, сколько от продолжительности жизни организма и эко-

62

системы в целом. Для экосистем, представленных однолетними организмами, их годовая продуктивность и биомасса практически совпадают. Соотношение биомассы и годовой продуктивности экосистемы можно выразить формулой

М = ΣПр – ΣД,

где М – биомасса; ΣПр – годовая продуктивность; ΣД – затраты на дыхание. Если говорить об экосистеме в целом, то под ΣД понимается вся сумма живого вещества, отчуждаемая в процессе разложения, гибели отдельных организмов или их частей и использованная гетеротрофами.

Различают разные уровни продуцирования, на которых создаётся первичная и вторичная продукция. Органическая масса, создаваемая продуцентами в единицу времени, называется первичной продукцией, а прирост за единицу времени массы консументов – вторичной продукцией.

Первичная продукция подразделяется на два уровня: валовую и чистую продукцию. Валовая первичная продукция – это общая масса валового органического вещества, создаваемая растением в единицу времени при данной скорости фотосинтеза, включая и траты на дыхание. Растения тратят на дыхание от 40 до 70% валовой продукции. Та часть валовой продукции, которая не израсходована на дыхание, называется чистой первичной продукцией. Именно эта продукция используется в пищу консументами и редуцентами.

Вторичная продукция не делится не валовую и чистую, так как все гетеротрофы увеличивают свою массу за счет первичной продукции, то есть используют ранее созданную продукцию. Рассчитывают вторичную продукцию отдельно для каждого трофического уровня, так как она формируется за счет энергии, поступающей с предшествующего уровня.

От величины продуктивности напрямую зависит устойчивость экосистем. Продуктивность растений связана с интенсивностью поглощения углекислого газа и выделения кислорода. Биомасса – это основной накопитель углерода, на длительное время выводящий углекислый газ из процесса круговорота. Часть органического вещества превращается в торф, уголь, нефть, то есть на длительное время исключается из круговорота, как бы консервируя накопленную энергию.

63

Лабораторная работа № 7

Определение органического вещества, образующегося при фотосинтезе

Цели работы: определить количество органического вещества, образующегося при фотосинтезе, сделать вывод о зависимости количества образующегося органического вещества от принадлежности растений к различным экологическим группам.

Оборудование и материалы: конические колбы на 250 мл; тер-

мостойкие конические колбы на 100 мл; маленькие стеклянные воронки, используемые как обратные холодильники; бюретки; 0,4 Н раствор бихромата калия [в разбавленной (1:1) серной кислоте]; 0,2 Н раствор соли Мора; дифениламин; 85%-ная ортофосфорная кислота; пробочное сверло или другое приспособление для выбивания дисков диаметром 1 см; мерный цилиндр; электроплитка; вегетирующие растения с симметричной широкой и тонкой листовой пластинкой (герань, фуксия, листья древесных растений).

Ход работы

Лист вегетирующего растения делят на две половинки вдоль главной жилки и на одной из них вырезают пробочным сверлом 3 диска диаметром 1 см, помещают на дно конической термостойкой колбы объемом 100 см3, затем приливают 10 см3 0,4 Н раствора бихромата калия (К2Cr2О7). Колбу закрывают маленькой воронкой носиком вниз и ставят на электроплитку с закрытой спиралью в вытяжной шкаф. Когда раствор закипит, добиваются слабого кипения в течение 5 мин, иногда слегка взбалтывают колбу круговым движением, чтобы диски были хорошо покрыты жидкостью. По верху колбы (не закрывая горлышко) укрепляют поясок из нескольких слоев плотной бумаги, который предотвратит ожог рук при помешивании содержимого колбы и при ее перестановке.

Затем колбу снимают с электроплитки, ставят на керамическую плитку и охлаждают. Жидкость должна быть буроватого цвета. Если окраска ее зеленоватая, то это указывает на недостаточное количество бихромата калия, взятого для окисления органического вещества. В этом случае определение нужно повторить с большим количеством реактива или меньшим количеством высечек.

64

К охлажденному раствору небольшими порциями в несколько этапов приливают 150 см3 дистиллированной воды, затем эту жидкость постепенно переливают в коническую колбу объемом 250 см3, куда добавляют 3 см3 85%-ной ортофосфорной кислоты и 10 капель дифениламина в качестве индикатора. Бихромат калия окисляет дифениламин, и смесь приобретает красно-бурую окраску. Содержимое взбалтывают и оттитровывают 0,2 Н раствором соли Мора. При титровании солью Мора шестивалентный хром восстанавливается в трехвалентный. В результате цвет раствора переходит в синий, а к концу титрования – в сине-фиолетовый.

Одновременно проводят контрольное определение (без растительного материала), тщательно соблюдая все указанные выше операции. Соль Мора сравнительно быстро окисляется кислородом воздуха, поэтому концентрацию раствора необходимо периодически проверять перед началом определения.

Количество углерода органического вещества, содержащегося в 1 дм2 листовой поверхности, рассчитывают по формуле

x a b k 0,6 100 , s

где а – количество соли Мора, израсходованное на титрование контрольного раствора, см3;

b – количество соли Мора, пошедшее на титрование исследуемого раствора, см3; к – поправка к концентрации соли Мора;

0,6 – миллиграммы углерода, соответствующие 1 см3 точно 0,2 Н раствора соли Мора;

s – площадь высечек, см2.

Результаты эксперимента записывают в табл. 6.

65

Контрольные вопросы

1.Каким законам термодинамики подчиняются природные экосистемы?

2.Какой процесс называется фотосинтезом?

3.Какие реакции происходят во время световой и темновой стадий при фотосинтезе?

4.Какой процесс называется хемосинтезом?

5.Какие виды хемосинтезирующих бактерий вы знаете?

Лабораторная работа № 8

Изучение интенсивности процесса фотосинтеза

Цель работы: изучить процесс фотосинтеза и факторы, влияющие на его интенсивность.

Оборудование и материалы: свежесрезанные побеги различных древесных растений (хвойных и лиственных); листья комнатных растений; 0,01 Н раствор Ва(ОН)2; 0,01 Н раствор НСl; бюретка; фенолфталеин в капельнице; круглодонные колбы объёмом 1,5 – 3 дм3 (2 шт.); салфетки (2 шт.); резиновые пробки (3 шт.); две пробирки; штатив; кристаллизатор; электрическая лампа мощностью (200 – 300 Вт); кипяченая вода; разновесы; ножницы; миллиметровая бумага; технические весы.

Ход работы

Две колбы, одинаковые по объёму (контрольная и опытная), на 20 мин оставьте открытыми для заполнения их воздухом. Затем одновременно вставьте в них пробки с отверстиями, не допуская нагревания от рук.

Отдельный лист поместите в заполненную водой пробирку, прикрепленную к палочке, вставленную в пробку. Быстро в повернутую вверх дном стеклянную колбу вставьте лист (вынув предварительно пробку). Поставьте колбу на свет на 10 – 15 мин. Колба должна быть герметично закрыта. Контрольная колба остается без растения. После времени выдержки быстро извлеките растение и закройте колбу пробкой.

В обе колбы налейте через отверстие в пробке по 20 см3 0,01 Н раствора Ва(ОН)2 и по капле фенолфталеина. Немедленно закройте отверстие стеклянной пробкой. В течение 20 мин аккуратно взбалты-

66

вайте раствор, смочив им стенки колбы. Затем через отверстие в пробке оттитруйте раствор в колбе раствором 0,01 Н НСl до исчезновения розового окрашивания.

Определите площадь листа, вычислите интенсивность фотосинтеза по формуле

где А – количество НСl, пошедшее на титрование раствора Ва(ОН)2 в опытной колбе, см3;

В – количество НСl, пошедшее на титрование раствора Ва(ОН)2 в контрольной колбе, см3;

К – поправочный коэффициент к концентрации раствора НСl;

х = 0,22 –число СО2, соответствующее 1 см3 0,01 Н раствора НСl, мг; 60 – коэффициент перевода минут в часы;

s– площадь листа, дм2;

t– время экспозиции, мин.

Результаты вычислений запишите в табл. 7.

Сделайте вывод об интенсивности фотосинтеза листьями различных растений.

Контрольные вопросы и задания

1.Раскройте сущность и значение фотосинтеза.

2.Перечислите условия, необходимые для протекания фотосинтеза.

3.От каких факторов зависит интенсивность фотосинтеза?

4.Вычислите интенсивность фотосинтеза растения, поглотившего за

30мин 20 мг СО2, если площадь листа равна 250 см2.

5.Почему водоросли, обитающие на больших глубинах, имеют красноватую окраску?

67

Лабораторная работа № 9

Трофические цепи

Цели работы: изучить понятие «трофическая цепь», понять принцип их построения и функционирования.

Оборудование и материалы: компьютерный класс; системные требования: Intel, 3,4 GHz ; 150 МБ; Windows XP/Vista/7; DVD-ROM;

1 ГБ свободного места на жестком диске; программа для чтения pdf-файлов: Adobe Acrobat Reader, Foxit Reader.

Ход работы

Лабораторная работа выполняется каждым студентом самостоятельно в соответствии с выданным ему вариантом. Затем результаты работы обсуждаются всеми студентами, присутствующими на занятии. Оценка выставляется как за индивидуальную самостоятельную работу, так и за участие в коллективном обсуждении.

Вариант 1

1.Составить схему пищевой цепи из перечисленных организмов, обозначить трофические уровни и дать им определения, указать, к какому типу относится пищевая цепь: личинки падальных мух, мертвое животное, лягушка, обыкновенный уж.

2.Какие организмы создают относительно большую биомассу при неизменном потоке энергии в пищевой цепи: мелкие наземные млекопитающие или крупные?

3.В организмах какого уровня энергетической пирамиды накопление токсических веществ будет происходить быстрее: продуцентов, консументов 1-го порядка, консументов 2-го порядка, консументов 3-го порядка?

4.Составить пищевую цепь, состоящую из четырех звеньев, организмы которой обитают в широколиственном лесу.

Вариант 2

1. Составить схему пищевой цепи из перечисленных организмов, обозначить трофические уровни и дать им определения, указать, к какому типу относится пищевая цепь: лиса, трава, кролик.

68

2.Какие организмы могут обеспечить наибольший удельный выход биомассы с единицы площади: крупные или мелкие?

3.Почему у водных организмов, обладающих большим количеством жира, быстрее накапливаются ядовитые вещества, чем у подобных организмов, но с меньшим содержанием жира?

4.Составить пищевую цепь, состоящую из четырех звеньев, организмы которой обитают в саванне.

Вариант 3

1.Составить схему пищевой цепи из перечисленных организмов, обозначить трофические уровни и дать им определения, указать, к какому типу относится пищевая цепь: листовая подстилка, дождевой червь, ястреб-перепелятник, черный дрозд.

2.У какого из указанных животных удельная продуктивность выше: у сурка или сайгака?

3.Почему хищные птицы более чувствительны к загрязнению среды пестицидами, чем всеядные? (Сравните сокола и серую ворону.)

4.Составить пищевую цепь, состоящую из четырех звеньев, организмы которой обитают во влажном тропическом лесу.

Вариант 4

1.Составить схему пищевой цепи из перечисленных организмов, обозначить трофические уровни и дать им определения, указать, к какому типу относится пищевая цепь: божья коровка, тля, рябина, насекомоядная птица, паук.

2.У какого из указанных животных удельная продуктивность выше: у тюльки или щуки?

3.Сколько процентов энергии передается от организмов одного трофического уровня экологической пирамиды к организмам другого уровня?

4.Составить пищевую цепь из трех звеньев, характерную для пресноводного водоема.

Вариант 5

1. Составить схему пищевой цепи из перечисленных организмов, обозначить трофические уровни и дать им определения, указать, к какому типу относится пищевая цепь: кулик, береговая улитка, сорока, фитопланктон.

69

2.У какого из указанных животных удельная продуктивность выше: у зайца или лося?

3.Что произойдет, если в степной экосистеме по каким-либо причинам пропадут копытные? Произойдет ли изменение фитомассы? Произойдут ли значительные изменения в видовой структуре экосистемы?

4.Составить пищевую цепь из трех звеньев, характерную для морской экосистемы.

Вариант 6

1. Составить схему пищевой цепи из перечисленных организмов, обозначить трофические уровни и дать им определения, указать, к какому типу относится пищевая цепь: землеройка, дождевой червь, опавшая листва.

2.Какие экосистемы более продуктивны: расположенные в умеренных широтах или в тропиках? Почему?

3.При каком условии биомасса продуцентов в экосистеме не изменяется? Возможно ли такое явление в реальных условиях?

4.Заполнить недостающие звенья в пищевой цепи: одноклеточные водоросли – ветвистоусые рачки – …. – …. – бактерии.

Выбрать из списка: бактерии, дуб, жук-навозник, лисица, плотва, синица, чайки.

Вариант 7

1.Составить схему пищевой цепи из перечисленных организмов, обозначить трофические уровни и дать им определения, указать, к какому типу относится пищевая цепь: землеройка, паук, нектар, сова, муха.

2.Что происходит в экосистеме, если в ней отсутствуют редуценты или их деятельность слабо выражена? Приведите примеры таких экосистем.

3.Составить пищевую цепь, состоящую из четырех звеньев, организмы которой обитают в тайге.

4.Заполнить недостающие звенья в пищевой цепи: брусника – бурый медведь – … – остромордая лягушка – … – бактерии.

Выбрать из списка: бактерии, дуб, жук-навозник, лисица, плотва, синица, чайки.

70