Занятие "Продуктивность сообщества"
план-конспект занятия (9, 10, 11 класс)

Занятие «Продуктивность сообщества»

Цель занятия: изучение нового теоретического материала и формирование понятийного аппарата обучающихся.

Задачи:  

1. ознакомление обучающихся со следующими понятиями: биомасса, скорость продуцирования биомассы, продукция, первичная продукция, вторичная продукция, пищевая цепь, пирамиды численности и биомассы;
2. формирование навыков работы с информацией, навыков составления конспекта;
3. воспитание интереса к изучению экологических закономерностей и природы Земли в целом.

Оборудование:

1. тетради, ручки;
2. учебная литература по экологии и биологии.

Ход занятия.

1. Организационная часть занятия. Приветствие.
2. Основная часть занятия.

Теоретическая часть занятия.

Очень важным функциональным показателем сообщества, а также его отдельных элементов (автотрофного и гетеротрофного компонентов, отдельных трофических уровней, популяций отдельных видов) является их способность к созданию (продуцированию) новой биомассы. Это свойство лежит в основе понятия продуктивность, сходного по смыслу с понятием плодородия, которое используется по отношению к сельскохозяйственным экосистемам.

Скорость продуцирования биомассы определяют в экологии специальным показателем – продукцией. В популяции продукция – это общая (суммарная) величина приращения ее биомассы за единицу времени. Продукция трофического уровня – это суммарная продукция всех популяций, занимающих этот уровень.

Особенности прироста продукции:

1. Продуцирование или синтез нового биологического вещества происходит за счет роста организмов и рождения новых особей. Эти процессы требуют затрат энергии и вещества. Автотрофы получают эти ресурсы, используя свободную энергию солнечного излучения и запасы минеральных веществ. Ресурсом гетеротрофов являются организмы предшествующих трофических уровней.

2. Продуцирование – это непрерывный процесс. При расчетах общей продукции организмов за определенный временной отрезок времени необходимо учитывать приросты не только выживших, но и погибших в течение этого интервала особей, так как они тоже участвовали в формировании продукции сообщества.

3. Чистая продукция всегда меньше общей энергии, полученной организмами с пищей, так как некоторая ее часть расходуется на дыхание или теряется при отмирании организмов.

В сообществе, сохраняющем устойчивое состояние, фактическая продукция данного трофического уровня должна покрывать пищевые потребности организмов следующего уровня; в противном случае общий запас биологического вещества данного трофического уровня будет неуклонно снижаться из-за выедания.

4. Как и энергия, продукция резко убывает при переходе от низших трофических уровней к высшим уровням.

5. Продукцию чаще всего выражают в энергетических эквивалентах (например, в джоулях или калориях на 1 м² за сутки) или в количестве сухого (обезвоженного) органического вещества (например, в килограммах на 1 га за один год).

Первичной продукцией называют скорость образования биомассы первичными продуцентами (растениями). Чистая первичная продукция – это фактический прирост массы растений, она всегда меньше общей энергии, фиксированной в процессе фотосинтеза. Именно первичная продукция растений является доступной для потребления гетеротрофными организмами (бактериями, грибами, животными).

Вторичной продукцией называют скорость продуцирования биомассы гетеротрофами. Продуктивность характеризует плодородие экосистем. Обоснованные научные сведения о продуктивности суши, пресных и соленых вод потребовались в связи с проблемой быстрого роста народонаселения и необходимостью скорейшего решения проблемы по выработке рациональной системы управления природными биологическими ресурсами.

Термин «поток» употребляется в экологии в значении переноса вещества и энергии.

Поток вещества и поток энергии не тождественные понятия. Поток вещества – перемещение вещества в форме химических элементов от продуцентов к редуцентам. Поток энергии – переход энергии в виде химических связей органических соединений по цепям питания от одного трофического уровня к другому (более высокому).

Односторонний приток энергии как универсальное явление природы происходит в результате действия законов термодинамики. Первый закон термодинамики утверждает, что энергия может переходить из одной формы (например, энергия света) в другую (например, потенциальную энергию пищи), но она никогда не создается вновь и не исчезает. Второй закон термодинамики утверждает, что не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потери некоторой ее части. В таких превращениях определенное количество энергии рассеивается в недоступную тепловую энергию и, следовательно, теряется. По этой причине не может быть превращений пищевых веществ в вещества тела живого организма, идущих со 100 % эффективностью.

Существование всех экосистем зависит от постоянного притока энергии, которая необходима всем организмам для поддержания их жизнедеятельности и самовоспроизведения. Солнце – практически единственный источник всей энергии на Земле. Однако не вся энергия солнечного излучения может усваиваться и использоваться организмами. Лишь около половины обычного солнечного потока, падающего на зеленые растения (продуценты), поглощается фотосинтезирующими элементами и лишь малая доля поглощенной энергии (от 1/100 до 1/20 части) запасается в виде биохимической энергии. Таким образом, большая часть солнечной энергии теряется в виде тепла на испарение. В целом поддержание жизни требует постоянного притока энергии.

Скорость потока энергии – количество энергии, выраженное в энергетических единицах, перешедшее с одного трофического уровня на другой в единицу времени.

Пищевая цепь – основной канал переноса энергии в сообществе. По мере удаления от первичного продуцента скорость потока энергии резко ослабевает, ее количество уменьшается. Перенос энергии с одного уровня на другой никогда не бывает полным. Часть энергии теряется в виде тепла в процессе дыхания, часть энергии теряется в процессе преобразования тканей жертвы в ткани хищника, а часть не усваивается и выводится из организма. В соответствии во вторым законом термодинамики, ни у одного из процессов преобразования энергии КПД (коэффициент полезного действия) не равен 1, и так же любое животное, перемещаясь, охотясь, строя гнездо и совершая иные действия, совершает работу, которая требует затрат энергии, в результате чего опять происходит выделение тепла.

Падение количества энергии при переходе с одного трофического уровня на другой (более высокий) определяет число этих уровней и соотношение хищников и жертв. Подсчитано, что на любой данный трофический уровень поступает лишь 10 % (или чуть больше) энергии предыдущего уровня. Поэтому число трофических уровней редко превышает три-четыре.

Пирамиды численности и биомассы. Большой интерес для экологов представляет не только взаимосвязь продуцентов и консументов или скорость потоков энергии, но и количество живого вещества на различных трофических уровнях экосистемы. Соотношение численности или биомассы живых организмов, занимающих разное положение в пищевой цепи, называют пирамидами численности и биомассы. Пирамида численности отражает плотность особей на каждом трофическом уровне, пирамида биомассы – их биомассу в сообществе.

Биомасса каждой группы организмов, отнесенная к тому или иному моменту времени, называется урожаем. Урожай характеризует содержащуюся в экосистеме энергию, запасенную в тканях различных организмов (потенциальную энергию). Урожай можно рассматривать и как показатель стабильности (устойчивости) сообщества, ведь биомасса и численность некоторых популяций являются одновременно и показателем жизненного пространства для организмов данного и других видов. Например, числом деревьев в лесу определяется не только общий запас заключенной в них биомассы и энергии, но и микроклимат, количество убежищ для животных.

Пирамиды численности отражают только плотность населения организмов на каждом трофическом уровне, но не скорость самовозобновления (оборота) организмов. Если скорость воспроизводства популяции жертвы высокая, то даже при низкой биомассе такая популяция может быть достаточным источником пищи для хищников, имеющих более высокую биомассу, но низкую скорость воспроизводства. По этой причине пирамиды численности и биомассы могут быть перевернутыми, то есть низкие трофические уровни могут иметь меньшие плотность и биомассу, чем высокие уровни. Например, на одном дереве может жить и кормиться множество насекомых (перевернутая пирамида численности). Перевернутая пирамида биомассы свойственна водным экосистемам, где первичные продуценты (фитопланктонные водоросли) очень быстро делятся, а их потребители (зоопланктонные ракообразные) гораздо крупнее, но имеют длительный цикл воспроизводства.

Мировое распределение биомассы и первичной продукции. Общая биомасса живого  вещества составляет от 1800 до 2500 млрд. т (в среднем около 2000 млрд. т). Более 90% приходится на биомассу наземных растений (фитомассу), остальное – на водную растительность и гетеротрофные организмы. Таким образом, основная роль в живом веществе Земли принадлежит автотрофным растениям суши.

Географическое распределение автотрофных организмов крайне неравномерно: оно зависит от количества тепла и влаги. Так, главные запасы фитомассы приходятся на тропические области (более 55%), где они достигают 650 т/га. В полярных и пустынных областях запасы фитомассы составляют всего 1-2%, обычно не превышают 1-2 т/га.

Биомасса гетеротрофных организмов суши, прежде всего животных (зоомасса), во многораз меньше биомассы растений. В разных биогеоценозах зоомасса составляет от 0,05% до 5% (в среднем 2-3%) всей биомассы. При этом наиболее высока биомасса почвенных микроорганизмов и беспозвоночных, а доля наземных позвоночных в общей зоомассе – от 0,2% до 4%, в сотни раз меньше. Составляя незначительную долю биомассы, животные суши играют существенную роль в регулировании процессов, происходящих в отдельных биоценозах и биосфере в целом.

Биомасса Мирового океана существенно меньше, чем биомасса суши (в несколько сотен раз), причем здесь наблюдается обратное соотношение запасов биомассы растений и животных. Фитомасса (водоросли и фитопланктон) составляет всего 0,2-0,3 млрд. т, в то время как зоомасса достигает 5-6 млрд.т, тоесть в 20 раз больше.

Количество фитомассы океана ограничивается количеством питательных, или биогенных, веществ. Максимум фитомассы достигается в умеренном поясе, где происходит интенсивное перемешивание вод с выносом питательных веществ на поверхность. Зоны океана вблизи берегов особенно насыщены жизнью, что объясняется притоком питательных веществ с континентов.

Важнейшей характеристикой живого вещества является биологическая продуктивность. Общая годовая продукция наземной растительности оценивается приблизительно в 180-200 млрд. т, основная ее доля приходится на тропическую зону. Годовая продукция фитомассы океана составляет около 50-100 млрд.т. Таким образом, хотя океан занимает более 2/3 поверхности земного шара, он дает только 1/3 всей продукции биосферы. В океане основными продуцентами биомассы являются одноклеточные растительные организмы – фитопланктон. Они обладают большой скоростью воспроизводства, их годовая продукция в десятки и сотни раз превышает запас их фитомассы. Вся первичная продукция быстро вовлекается в цепи питания, поэтому накопление фитомассы незначительно. В то же время в океане происходит накопление зоомассы. Таким образом, здесь пирамида биомассы имеет перевернутый вид по сравнению с сушей.

Практическая часть занятия: 

Решение экологических задач.

1. Обоснуйте ответы на вопросы:

1) Будет ли сокращаться устойчивость сообщества, если продукция данного трофического уровня превысит пищевые потребности организмов следующего уровня?

2) Будет ли сохраняться неизменной величина популяции, если хищник за год выедает биомассу, равную по величине ее общей годовой продукции?

3) Чем различаются прямая и перевернутая пирамиды численности?

2. Решите экологические задачи.

1) Чистая продукция луговой растительности составляет около 1 г на 1 м² за сутки. Сколько корма для домашних животных может заготовить крестьянин с площади 1 га после второго укоса, если первый производился один месяц тому назад?

2) Рассчитайте долю энергии, поступающей на 4-й трофический уровень, при условии, что ее общее количество на 1-м уровне составляет 100 единиц.

3. Заключительная часть занятия. Подведение итогов занятия.