|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
В биоценозах пищевые связи играют двоякую роль.
Во-первых, они обеспечивают передачу вещества и энергии от одного организма к другому. Вместе, таким образом, уживаются виды, которые поддерживают жизнь друг друга. Во-вторых, пищевые связи служат механизмом регуляции численности популяций. Хищники, паразиты, собиратели являются мощной преградой на пути чрезмерного размножения отдельных видов, что делает природу более стабильной. Любой живой организм занимает определённую экологическую нишу. Экологическая ниша – это совокупность территориальных и функциональных характеристик среды обитания, соответствующих требованиям данного вида. Никакие два вида не имеют в экологическом фазовом пространстве одинаковых ниш. Согласно принципу конкурентного исключения Гаузе, два вида с близкими экологическими требованиями длительное время не могут занимать одну экологическую нишу. Эти виды конкурируют, и один из них вытесняет другой. На основе сетей питания можно построить граф конкуренции. Живые организмы в графе конкуренции отображаются в виде вершин графа, между вершинами проводится ребро (связь без направления) в том случае, если существует живой организм, который служит пищей для организмов, отображаемых вышеуказанными вершинами. Разработка графа конкуренции позволяет выделить конкурирующие виды организмов и проанализировать функционирование экосистемы и её уязвимость. Широко распространён принцип соответствия роста сложности экосистемы и увеличения её устойчивости. Если экосистема представлена сетью питания, можно использовать разные способы измерения сложности: - определить число дуг; - найти отношение числа дуг к числу вершин; - рассчитать количество входящих и исходящих из вершины дуг Для измерения сложности и разнообразия сети питания используется также трофический уровень, т. е. место организма в цепи питания. Трофический уровень можно определять как по наиболее короткой, как и по наиболее длинной цепи питания от рассматриваемой вершины, имеющей трофический уровень, равный «1».
Практическая часть
Порядок выполнения задачи 1. Составьте сеть для участниковбиоценоза согласно вашему варианту. Пример трофической сети с размещением организмов по трофическим уровням представлен на рис. 2. Спектр питания некоторых видов живых организмов приведен в прил. 2. 2. Для всего видового состава биоценоза установить цепи питания и трофический уровень по наиболее короткому и наиболее длинному пути сети питания из задания (табл. 6).
Рис. 2. Трофическая сеть Таблица 6 Таблица трофических уровней
Примечание – пастбищная пищевая цепь начинается с продуцентов. Организм, указанный в колонке 1, является верхним трофическим уровнем. Для консументов I-ого порядка длинный и короткий пути трофической цепи совпадают. ЗАДАЧА 3
ЗАДАНИЕ: определить потребление СО2 и Н2О и выделение О2 в древостоях при формировании годового прироста древесины для разных классов бонитета. Варианты к задаче указаны в табл. 7. Величины годового прироста приведены в табл. 8, 9. Таблица 7 Варианты к задаче 3
Таблица 8 Текущий годовой прирост в древостоях основных лесообразующих пород, м3/га
Окончание табл. 8
Примечание – бонитет леса – показатель хозяйственной производительности участка леса. Он зависит от природных условий и воздействия человека на лес и характеризуется размером прироста древесины (нередко высотой насаждений) в сравниваемом возрасте. Выделяется пять классов бонитета. Наиболее производительный – I.
Таблица 9 Текущий годовой прирост в древостоях березы, м3/га
Общие сведения Процесс накопления органического вещества продуцентами (хемосинтетиками и фотосинтетиками) представляет собой синтез из минеральных веществ с использованием энергии. Исторически первыми продуцентами были хемосинтетики, осуществлявшие синтез с использованием энергии окисления химических веществ. К хемосинтезирующим организмам относятся нитрификаторы, карбоксидобактерии, серобактерии, тионовые железобактерии, водородные бактерии. Они называются так по субстратам окисления, которыми могут быть NH3, NO2-, CO, H2S, S, Fe2+, H2. Хемосинтез характерен для глубоководных гидротермальных источников. Важнейший естественный материально-энергетический процесс в лесных экосистемах – фотосинтез, ежегодно вовлекающий в круговорот огромные массы вещества биосферы и обусловливающий ее кислородный потенциал. Он выступает регулятором основных геохимических процессов в биосфере и фактором, определяющим наличие свободной энергии верхних оболочек земного шара. Фотосинтез представляет собой окислительно-восстановительную реакцию создания органических веществ из углекислого газа и воды, которая протекает за счет солнечной энергии при участии хлорофилла зеленых растений. В результате образуются органические вещества из минеральных компонент, и в этих веществах фиксируется энергия солнца. В процессе фотосинтеза тесно взаимодействуют различные составные части экосистемы: атмосфера, почва и собственно растения. Все эти части связаны потоками веществ, которые наглядно представлены в суммарном уравнении фотосинтеза: 6СО2 + 6Н2О + энергия® С6Н12О6 + 6О2 или 6СО2 + 12Н2О + 2821, 9 кДж® С6Н12О6 + 6О2+6 Н2О Углекислый газ поступает в растения из атмосферы, вода – из почвы, органическое вещество накапливается в самих растениях, и свободный кислород выделяется в атмосферу. Прямыми продуктами фотосинтеза являются различные органические соединения, простейшим из которых является глюкоза. В целом процесс фотосинтеза носит довольно сложный характер (рис. 3). Фотосинтез – процесс эндоэргический, идет против термодинамического градиента и сопровождается превращением энергии Солнца в энергию химических связей. Происходит за немногим исключением на всей поверхности Земли, создает огромный геохимический эффект и может быть выражен через количество всей массы углерода, вовлекаемой ежегодно в построение органического вещества – живого вещества всей биосферы. В общий круговорот материи, связанной с построением путем фотосинтеза органического вещества, вовлекаются и такие химические элементы как N, P, S, а также металлы – K, Ca, Mg, Na, Al.
Рис. 3. Схемы: а – функций отдельных частей дерева; б – процессов превращений углерода в органические соединения и их последующих биохимических превращений в ходе метаболизма (по Браунингу, 1967)
Через процесс фотосинтеза осуществляется одна из важнейших экологических функций лесов – газовая функция, в результате действия которой из атмосферы выводится углекислый газ и в атмосферу поступает кислород. Ежегодно в ходе фотосинтеза усваивается около 200 млрд. т СО2 и выделяется ориентировочно 145–320 млрд. т кислорода. При этом образуется более 1841·109 т органического вещества. Данные изотопных анализов показывают, что основное количество кислорода выделяется за счет разложения воды, а кислород углекислого газа идет на образование органических соединений. Фотосинтез является одним из самых грандиозных процессов, происходящих на Земле. Только за 9 млн. лет «через растения» проходит масса воды, равная всей гидросфере, а за 6–7 лет вся углекислота атмосферы. В пределах биосферы фотосинтез идет непрерывно. Органические вещества, образующиеся при фотосинтезе, становятся биохимическим аккумулятором солнечной энергии. Они представляют собой не только сложные химические соединения, но и являются «живым веществом», имеющим свои специфические особенности и включающим в небольших количествах все элементы земной коры, участвующие в биологическом круговороте. При гибели организмов происходит обратный процесс – разложение органического вещества путем окисления, гниения и т. д. с образованием конечных продуктов разложения. Следовательно, общую реакцию фотосинтеза можно выразить в глобальном масштабе следующим образом:
смерть В биосфере Земли этот процесс приводит к тому, что количество биомассы живого вещества приобретает тенденцию к определенному постоянству. Биомасса экосферы составляет 2·1012 т (на семь порядков меньше массы земной коры – 2·1019 т). Растения Земли ежегодно продуцируют 1, 6·1011 т органического вещества (8 % биомассы экосферы). В экосистемах наряду с фотосинтезом имеет место дыхание, т.е. идет обратимый химический процесс Важно уметь количественно оценивать воздействие лесов на окружающую среду. Расчеты количеств потребляемых и выделяемых при фотосинтезе веществ можно выполнить по его суммарному уравнению, описывающему процесс создания вещества древесины и, поэтому, отличающемуся от приведенного выше, где описан процесс синтеза сахаров. Так как химический состав вещества древесины разных пород различен, то с целью получения формул, пригодных во всех случаях, рассмотрим уравнение фотосинтеза в следующем общем виде: хСО2 + у/2Н2О®СХНУОZ + uО2, (8) где коэффициенты уравнения х, у, z определяются химическим составом вещества древесины соответствующей породы, а коэффициент u определяется через х, у, z из уравнения баланса числа атомов кислорода: 2х + у/2 = z + 2u, (9) откуда u = x + y/4 – z/2. (10) Элементный состав древесины четырех основных лесообразующих пород приведен в табл. 10. Химический состав ветвей, древесной зелени и стволовой древесины несколько различен. В табл. 8 приведен состав стволовой древесины как наиболее представительной составляющей.
Таблица 10 Элементный состав древесины основных лесообразующих пород, %
Зная химический состав древесины, коэффициенты уравнения фотосинтеза х, у, z можно рассчитать по следующей формуле:
Коэффициент u рассчитывается на основе х, у, z по формуле (10). Далее, если известно количество вещества древесины, созданного в лесу, количества поглощенных при этом углекислого газа и воды, и выделившегося кислорода рассчитываются по следующим формулам:
где МД – масса вещества древесины, созданного в лесу, кг;
где МД – масса вещества древесины, созданного в лесу, кг;
где МД – масса вещества древесины, созданного в лесу, кг; В справочной литературе данные о запасах древесины разных пород даются в кубических метрах (м3), а при расчетах по уравнению фотосинтеза необходимо знать массу создаваемой древесины. Пересчет объемов древесины на абсолютно сухую массу производится по формуле МД = Р·V, (15) где V – объем древесины, м3 (при выполнении задания 1 – прирост на одном гектаре за год); Р – базисная плотность древесины, кг/м3 (для ели – 360, сосны – 400, березы – 500, лиственницы – 560).
Практическая часть Порядок выполнения задачи 1. Для породы, указанной в варианте задания (табл. 7), рассчитайте коэффициенты х, у, z, u, учитывая, что в табл. 10 приведен химический состав синтезированного органического вещества (см. уравнение фотосинтеза в общем виде). 2. Вычислите по формулам (12), (13), (14) потребление СО2 и Н2О и выделение О2 в древостоях для каждого класса бонитета согласно варианту задания. Результаты расчетов сведите в табл. 11. 3. Постройте график зависимости потребления СО2 и Н2О и выделения О2 от класса бонитета. 4. Сделайте выводы об изменении потребления СО2 и Н2О и выделения О2 в зависимости от возраста и класса бонитета. 5. Определите количество древесины на 1 га в лесу, т и м3 (в соответствии с вариантом задания), которое должно быть создано, чтобы при этом было выделено G т кислорода. 6. Определите количество древесины на 1 га в лесу, т и м3 (в соответствии с вариантом задания), которое должно быть создано, чтобы при этом было поглощено D т углекислого газа.
Таблица 11 Результаты расчетов потребления СО2 и Н2О и выделения О2 в древостоях ___________________, т (порода древесины) Возраст___________ лет
ЗАДАЧА 4
ЗАДАНИЕ: Ответить на вопросы «Общие законы зависимости организмов от факторов среды».
Общие сведения
Среда обитания – это живое и неживое окружение, определяемое совокупностью экологических факторов; та часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует. Составные части и свойства среды многообразны и изменчивы. Любое живое существо живет в сложном, меняющемся мире, постоянно приспосабливаясь к нему и регулируя свою жизнедеятельность в соответствии с его изменениями. Отдельные свойства или элементы среды, воздействующие на организмы, называются экологическими факторами. Экологические факторы – любое условие или параметр среды, оказывающий влияние на живые организмы хотя бы на одной стадии развития. Факторы среды многообразны. Они могут быть необходимы или, наоборот, вредны для живых существ, способствовать или препятствовать выживанию и размножению. Экологические факторы имеют разную природу и специфику. По природе и происхождению экологические факторы делят на: - абиотические – факторы неживой природной среды, которые прямо или косвенно влияют на живые организм (температура, свет, радиоактивное излучение, давление, влажность воздуха, солевой состав воды, ветер, течения, рельеф местности). Большинство из них имеют количественные оценки. - биотические – формы воздействий живых организмов друг на друга, бывают внутривидовые и межвидовые. Каждый организм постоянно испытывает на себе прямое или косвенное влияние других существ, вступает в связь с представителями своего вида и других видов – растениями, животными, микроорганизмами, зависит от них и сам оказывает на них воздействие. Окружающий органический мир – составная часть среды каждого живого существа. Взаимные связи организмов – основа существования биоценозов и популяций; рассмотрение их относится к области синэкологии. - антропогенные – это формы деятельности человеческого общества, которые приводят к изменению природы как среды обитания других видов или непосредственно сказываются на их жизни. В ходе истории человечества развитие сначала охоты, а затем сельского хозяйства, промышленности, транспорта сильно изменило природу нашей планеты. Значение антропогенных воздействий на весь живой мир Земли продолжает стремительно возрастать. Законы воздействия экологических факторов на живые организмы Несмотря на многообразие экологических факторов и различную природу их происхождения, существуют некоторые общие правила и закономерности их воздействия на живые организмы. Для жизни организмов необходимо определенное сочетание условий. Если все условия среды обитания благоприятны, за исключением одного, то именно это условие становится решающим для жизни рассматриваемого организма. Оно ограничивает (лимитирует) развитие организма, поэтому называется лимитирующим фактором. Лимитирующий фактор – фактор, приближающийся к пределам устойчивости или превосходящий их (избыток, недостаток, отсутствие). Способность организма выносить отклонения факторов среды от оптимального для них значения, называется толерантность. Первоначально было установлено, что развитие живых организмов ограничивает недостаток какого-либо компонента, например, минеральных солей, влаги, света и т.п. В середине XIX века немецкий химик органик Юстас Либих первым экспериментально доказал, что рост растения зависит от того элемента питания, который присутствует в относительно минимальном количестве. Он назвал это явление законом минимума; в честь автора его еще называют законом Либиха. В современной формулировке закон минимума звучит так: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Ограничения закона Либиха: 1) закон применим для стационарного состояния систем; 2) недостающие элементы организмы могут частично заменять другие. Однако, как выяснилось позже, лимитирующим может быть не только недостаток, но и избыток фактора, например, гибель урожая из-за дождей, перенасыщение почвы удобрениями и т. п. Понятие о том, что наравне с минимумом лимитирующим фактором может быть и максимум, ввел спустя 70 лет после Либиха американский зоолог В. Шелфорд, сформулировавший закон толерантности. Согласно закону толерантности (закон В. Шелфорда): лимитирующим фактором процветания популяции (организма) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, а диапазон между ними определяет величину выносливости (предел толерантности) или экологическую валентность организма к данному фактору (рис. 4).
Рис. 4. Зависимость результата действия экологического фактора
Благоприятный диапазон действия экологического фактора называется зоной оптимума (нормальной жизнедеятельности). Чем значительнее отклонение действия фактора от оптимума, тем больше данный фактор угнетает жизнедеятельность популяции. Этот диапазон называется зоной угнетения. Максимально и минимально переносимые значения фактора – это критические точки, за пределами которых существование организма или популяции уже невозможно. Принцип лимитирующих факторов справедлив для всех типов живых организмов – растений, животных, микроорганизмов и относится как к абиотическим, так и к биотическим факторам. Например, лимитирующим фактором для развития организмов данного вида может стать конкуренция со стороны другого вида. В земледелии лимитирующим фактором часто становятся вредители, сорняки, а для некоторых растений лимитирующим фактором развития становится недостаток (или отсутствие) представителей другого вида. Например, в Калифорнию из средиземноморья завезли новый вид инжира, но он не плодоносил, пока оттуда же не завезли единственный для него вид пчел-опылителей. В соответствии с законом толерантности любой избыток вещества или энергии оказывается загрязняющим среду началом. Так, избыток воды даже в засушливых районах вреден и вода может рассматриваться как обычный загрязнитель, хотя в оптимальных количествах она просто необходима. В частности, избыток воды препятствует нормальному почвообразованию в черноземной зоне. Способность организма существовать в определенном интервале изменения фактора среды, называется экологическая валентность. Широкую экологическую валентность вида по отношению к абиотическим факторам среды обозначают добавлением к названию фактора приставки «эври», например, животные, способные выносить значительные колебания температуры, называются эвритермными. Неспособность переносить значительные колебания факторов или низкая экологическая валентность характеризуется приставкой «стено», например, стенотермные животные. Небольшие изменения температуры мало сказываются на эвритермных организмах и могут оказаться гибельными для стенотермных. Закон лимитирующего фактора: любой фактор среды вне зоны своего оптимума приводит живые организмы сначала к стрессу, а в пределе к гибели. Фактор, отклоняющийся от оптимума, в наибольшей степени будет в первую очередь ограничивать существование организма. До сих пор речь шла о пределе толерантности живого организма по отношению к одному фактору, но в природе все экологические факторы действуют совместно. В экосистемах может быть несколько лимитирующих факторов, общее воздействие которых определяется их взаимодействием. Если один фактор приближается к пределам устойчивости, то предел толерантности по другим факторам будет снижаться. Таким образом, рамки изменения фактора могут изменяться в зависимости от: - стадии развития и возраста организма; - взаимодействие факторов. Предел толерантности организма изменяется при переходе из одной стадии развития в другую. Часто молодые организмы оказываются более уязвимыми и более требовательными к условиям среды, чем взрослые особи. Наиболее критическим с точки зрения воздействия разных факторов является период размножения: в этот период многие факторы становятся лимитирующими. Экологическая валентность для размножающихся особей, семян, эмбрионов, личинок, яиц обычно уже, чем для взрослых не размножающихся растений или животных того же вида. Например, многие морские животные могут переносить солоноватую или пресную воду с высоким содержанием хлоридов, поэтому они часто заходят в реки вверх по течению. Но их личинки не могут жить в таких водах, так что вид не может размножаться в реке и не обосновывается здесь на постоянное местообитание. Многие птицы летят выводить птенцов в места с более теплым климатом и т.п. Правило равнозначности условий жизни: все факторы среды, необходимы для жизни, равнозначны и любой из них может ограничить существование организма. При совместном действии факторов возможно: - усиление общего эффекта воздействия – потенцирование или синергизм; - снижение общего воздействия – антагонизм; - независимость действия факторов. Оптимальная зона и пределы выносливости организма по отношению к какому-либо фактору среды могут смещаться в зависимости от того, в каком сочетании действуют одновременно другие факторы. Для роста растений необходим, в частности, такой элемент, как цинк, именно он часто оказывается лимитирующим фактором. Но для растений, растущих в тени, потребность в нем меньше, чем для находящихся на солнце. Происходит так называемая компенсация действия факторов. Однако взаимная компенсация имеет определенные пределы и полностью заменить один из факторов другим нельзя. Полное отсутствие воды или хотя бы одного из необходимых элементов минерального питания делает жизнь растений невозможной, несмотря на самые благоприятные сочетания других условий. Известно, что каждый фактор неодинаково влияет на разные функции организма. Условия, оптимальные для одних процессов, например для роста организма, могут оказаться зоной угнетения для других, например для размножения, и выходить за пределы толерантности, то есть приводить к гибели, для третьих. Поэтому жизненный цикл, в соответствии с которым организм в определенные периоды осуществляет преимущественно те или иные функции (питание, рост, размножение, расселение) всегда согласован с сезонными изменениями факторов среды, как например с сезонностью в мире растений, обусловленной сменой времен года.
Практическая часть
1. Назовите конкретные факторы среды, которые можно отнести к абиотическим, биотическим или антропогенным. Заполните табл. 12.
Таблица 12 Экологические факторы
2. На рис. 5 показан график зависимости численности жука семиточечной божьей коровки от температуры окружающей среды.
Рис. 5. Зависимость численности жука семиточечной божьей коровки Укажите согласно графику: а) температуру, оптимальную для этого насекомого; б) диапазон температуры зоны оптимума; в) диапазон температуры зоны пессимума (угнетения); г) две критические точки; д) пределы выносливости вида. 3. Среди перечисленных факторов укажите ограничивающий, значение, которого не позволяет существовать: 3.1) растениям в океане на глубине 6000 м: а) вода; б) температура; в) углекислый газ; г) соленость воды; д) свет. 3.2) большинству растений в пустыне летом: а) свет; б) температура; в) вода; г) ветер; д) кислород. 3.3) скворцам зимой в средней полосе России: а) температура; б) пища; в) кислород; г) влажность воздуха; д) свет. 3.4) обыкновенной речной щуке в Черном море: а) влажность; б) температура; в) свет; г) пища; д) соленость воды; е) кислород. 3.5) кабану зимой в северной тайге: а) температура; б) свет; в) кислород; г) влажность воздуха; д) высота снежного покрова. 4. Какое вещество с наибольшей вероятностью будет лимитировать рост пшеницы на поле: а) углекислый газ; б) кислород; в) гелий; г) ионы калия; д) газообразный азот. 5. На рис. 6 показан график зависимости смертности куколок яблоневой плодожорки сразу от двух факторов: влажности и температуры, определите, какой фактор будет ограничивающим в точке с координатами: а) влажность 18 %, температура 30 º С; б) влажность75 %, температура 2 º С; в) влажность70%, температура 37 º С.
Рис. 6. Зависимости смертности куколок яблоневой плодожорки Назовите диапазон оптимальной для вида: - температуры; - влажности. Назовите предел толерантности вида: - по температуре; - по влажности. Установите, где опасность размножения яблоневой плодожорки выше: в районе со средними летними температурами от 20 до 30 º С и относительной влажностью 60-80 % или в районе со средними летними температурами от 30 до 35 º С и относительной влажностью 40-50 % Постройте два графика зависимости смертности куколок яблоневой плодожорки от действия температуры при относительной влажности 70 % и 40 % (рис. 7). Запишите координаты точек построенных графиков в табл. 13-14. Объясните, почему эти графики отличаются друг от друга.
Таблица 13 Относительная влажность 70 %
Таблица 14 Относительная влажность 40 %
Рис. 7. Зависимости смертности куколок яблоневой плодожорки
6. Подберите правильную характеристику живых организмов и заполните соответствующую таблицу (табл. 15). Таблица 15 Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-05-29; Просмотров: 1935; Нарушение авторского права страницы
жизнь
mСО2 + nН2О Сm·n(Н2O) + mО2
(12)
– молекулярная масса СО2, x – коэффициент.
, (13)
– молекулярная масса H2O, y – коэффициент.
. (14)
– молекулярная масса О2, u – коэффициент.
