Шпаргалка по "Биология"

Пищевые  цепи и трофические  уровни 

     Энергия, содержащаяся в органическом  веществе одних организмов, потребляется  другими организмами. Перенос   веществ и заключенной в них   энергии от автотрофов к гетеротрофам, что происходит в результате  поедания одними организмами   других, называется пищевой цепью  (цепью питания, трофической цепью).Огромную роль в воспроизводстве  жизни играет энергия Солнца. Количество этой энергии очень велико (примерно 55ккал на 1см2 в год). Из этого количества продуценты – зеленые растения – в результате фотосинтеза фиксирую не более 1-1% энергии, а пустыни и океан – сотые доли процента. Число звеньев в пищевой цепи  может быть различными, но обычно  их 3-4 (реже 5). Дело в том, что  к конечному звену пищевой  цепи поступает так мало энергии,  что ее не хватает в случае  увеличения числа организмов. Совокупность  организмов, объединенных одним типом питания и занимающих определенное положение в пищевой цепи, носит название трофический уровень. К одному трофическому уровню принадлежат организмы, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней. Первый  трофический уровень занимают автотрофы, зеленые растения (продуценты), первичные  потребители солнечной энергии; второй – растительноядные животные (фитофаги, консументы первого режима); третий – хищники, питающиеся растительноядными животными (консументы второго порядка), и паразиты первичных консументов; вторичные хищники (консументы третье порядка) и паразиты вторичных консументов  образуют четвертый трофический уровень. Организмы, состоящие на каждом трофическом уровне, приспособлены природой для потребления определенного вида пищи, в качестве которой выступают организмы предыдущего трофического уровня. Простейшая  пищевая цепь (или цепь питания) может состоять из фитопланктонов, затем идут более крупные травоядные планктонные ракообразные (зоопланктон), а заканчивается цепь китом (или мелкими хищниками), которые фильтруют этих ракообразных из воды. Природа сложна. Все ее элементы, живые и не живые,-одно целое, комплекс приспособленных друг к другу, взаимодействующих и взаимосвязанных явлений и существ. Это звенья одной цепи. И если удалить из общей цепочки хотя бы одно такое звено, результаты могут быть непредвиденными. Особенно  негативно разрыв цепей питания может сказаться на биоценозах леса – будь-то лесные биоценозы умеренной зоны либо отличающиеся богатым видом разнообразием биоценозы тропического леса. Многие виды деревьев, кустарников или травянистых растений пользуются услугами определенного опылителя – пчелы, осы, бабочки или колибри, питающих в пределах ареала данного растительного вида. Как только погибнет последнее цветущее дерево или травянистое растение, опылитель вынужден будет покинуть данное местообитание. В результате погибнут питающиеся этими растениями или плодами дерева фитофаги (травоядные). Без пищи останутся охотившиеся на фитофагов хищники, а далее изменения последовательно коснутся остальных звеньев пищевой цепи. В итоге они скажут и на человеке, поскольку у него есть свое определенное место в пищевой цепи.  Пищевые цепи можно разделить на два основных типа: пастбищную и детритную. Пищевые цепи, которые начинаются с автотрофных фотосинтезирующих организмов, называются пастбищными, или цепями выедания. На вершине пастбищной цепи стоят зеленые растения. На втором уровне пастбищной цепи обычно находятся фитофаги, т.е. животные, питающиеся растениями. Примером пастбищной пищевой цепи могут служить взаимоотношения между организмами на пойменном лугу. Начинается такая цепь с лугового цветкового растения. Следующее звено – бабочка, питающая нектаром цветка. Затем идет обитатель влажных местообитаний – лягушка. Ее покров ительственная окраска позволяет ей подстеречь жертву, но не спасает от другого хищника – обыкновенного ужа. Цапля, поймав ужа, замыкает пищевую цепь на пойменном лугу. Если  пищевая цепь начинается с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных – детрита, она называется детритной, или цепью разложения. Термин «детрит» означает продукт распада. Он позаимствован из геологии, где детритом называют продукты разрушения горных пород. В экологии детрит – это органическое вещество, вовлеченное в процесс разложения. Такие цепи характерны для сообществ дна глубоких озер, океанов, где многие организмы питаются за счет оседания детрита, образованного отмершими организмами верхних освещенных слоев водоема. В лесных биоценозах детритная цепь начинается с разложения мертвого органического вещества животными-сапрофагами. Наиболее активное участие в разложении органики здесь принимают почвенные беспозвоночные животными (членистоногие, черви) и микроорганизмы. Присутствуют и крупные сапрофаги – насекомые, которые готовят субстрат для организмов, осуществляющие процесс минерализации (для бактерий и грибов).В отличии от пастбищной цепи размеры при движении вдоль детритной  цепи не возрастают, а, наоборот, уменьшаются. Так, на втором уровне могут стоять насекомые-могильщики. Но наиболее типичными представителями детритной цепи являются грибы и микроорганизмы, питающиеся мертвым веществом и  довершающие процесс разложения биоорганики до состояния простейших минеральных и органических веществ, которые затем в растворенном виде потребляются корнями зеленых растений на вершине пастбищной цепи, начиная тем самым новый круг движения вещества.  В одних экосистемах преобладают пастбищные, в других  - детритные  цепи. Например, лес считается экосистемой с преобладанием детритных цепей. В экосистеме гниющего пня пастбищная цепь вообще отсутствует. В то же время, например, в экосистемах поверхности моря практически все продуценты,  представленные фитопланктоном, потребляются животными, а их трупы опускаются на дно, т.е. уходят из данной экосистемы. В таких экосистемах преобладают пастбищные цепи, или цепи выедания.  Общее правило, касающееся любой пищевой цепи, гласит:  на каждом трофическом уровне сообщества большая часть поглощаемой с пищей энергии тратится на поддержание жизнедеятельности, рассеивается и больше не может быть использована другими организмами. Таким образом, потребленная пища на каждом трофическом уровне ассимилируются не полностью. Значительная ее часть расходуется на обмен веществ. При переходе к каждому последующему звену пищевой цепи общее количество пригородной для использования энергии, передаваемой на следующий, более высокий трофический уровень, уменьшается.

73.  Экологическая  пирамида - графические изображения  соотношения между продуцентами  и консументами всех уровней (травоядных, хищников; видов, питающихся другими хищниками) в экосистеме. Схематически изображать эти соотношения предложил американский зоолог Чарльз Элтон в 1927 году.

При схематическом  изображении каждый уровень показывают в виде прямоугольника, длина или  площадь которого соответствует  численным значениям звена пищевой  цепи (пирамида Элтона), их массе или энергии. Расположенные в определенной последовательности прямоугольники создают различные по форме пирамиды. Основанием пирамиды служит первый трофический уровень - уровень продуцентов, последующие этажи пирамиды образованы следующими уровнями пищевой цепи - консументами различных порядков. Высота всех блоков в пирамиде одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне.

Правило экологической пирамиды

Показатель  каждого уровня экологической пирамиды приблизительно в 10 раз меньше предыдущего. Экологические пирамиды различают  в зависимости от показателей, на основании которых строится пирамида. При этом для всех пирамид установлено  основное правило, согласно которому в  любой экосистеме больше растений, чем животных, травоядных, чем плотоядных, насекомых, чем птиц. На основе правила  экологической пирамиды можно определить или рассчитать количественные соотношения  разных видов растений и животных в естественных и искусственно создаваемых  экологических системах. Например, 1 кг массы морского зверя (тюленя, дельфина) нужно 10 кг съеденной рыбы, а этим 10 кг нужно уже 100 кг их корма - водных беспозвоночных, которым в свою очередь  для образования такой массы  необходимо съедать 1000 кг водорослей и  бактерий. В данном случае экологическая  пирамида будет устойчива.  Однако, как известно, из каждого правила бывают исключения, которые будут рассмотрены в каждом типе экологических пирамид.

Типы  экологических пирамид 

пирамиды  чисел - на каждом уровне откладывается  численность отдельных организмов

Пирамида  чисел отображает отчетливую закономерность, обнаруженную Элтоном: количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается (рис.3).

Например, чтобы прокормить одного волка, необходимо по крайней мере несколько зайцев, на которых он мог бы охотиться; чтобы прокормить этих зайцев, нужно довольно большое количество разнообразных растений. В данном случае пирамида будет иметь вид треугольника с широким основанием суживающимся кверху.

Однако  подобная форма пирамиды чисел характерна не для всех экосистем. Иногда они  могут быть обращенными, или перевернутыми. Это касается пищевых цепей леса, когда продуцентами служат деревья, а первичными консументами - насекомые. В этом случае уровень первичных консументов численно богаче уровня продуцентов (на одном дереве кормится большое количество насекомых), поэтому пирамиды чисел наименее информативны и наименее показательны, т.е. численность организмов одного трофического уровня в значительной степени зависит от их размеров. пирамиды биомасс - характеризует общую сухую или сырую массу организмов на данном трофическом уровне, например, в единицах массы на единицу площади - г/м2, кг/га, т/км2 или на объем - г/м3 (рис.4)

Обычно  в наземных биоценозах общая масса  продуцентов больше, чем каждого  последующего звена. В свою очередь, общая масса консументов первого порядка больше, нежели консументов второго порядка и т.д. В данном случае (если организмы не слишком различаются по размерам) пирамида также будет иметь вид треугольника с широким основанием суживающимся кверху. Однако и из этого правила имеются существенные исключения. Например, в морях биомасса растительноядного зоопланктона существенно (иногда в 2-3 раза) больше биомассы фитопланктона, представленного преимущественно одноклеточными водорослями. Это объясняется тем, что водоросли очень быстро выедаются зоопланктоном, но от полного выедания их предохраняет очень высокая скорость деления их клеток. В целом для наземных биогеоценозов, где продуценты крупные и живут сравнительно долго, характерны относительно устойчивые пирамиды с широким основанием. В водных же экосистемах, где продуценты невелики по размеру и имеют короткие жизненные циклы, пирамида биомасс может быть обращенной, или перевернутой (острием направлена вниз). Так, в озерах и морях масса растений превышает массу потребителей только в период цветения (весной), а в остальное время года может создаться обратное положение. Пирамиды чисел и биомасс отражают статику системы, т. е. характеризуют количество или биомассу организмов в определенный промежуток времени. Они не дают полной информации о трофической структуре экосистемы, хотя позволяют решать ряд практических задач, особенно связанных с сохранением устойчивости экосистем.

Пирамида  чисел позволяет, например, рассчитывать допустимую величину улова рыбы или  отстрела животных в охотничий период без последствий для нормального  их воспроизведения. пирамиды энергии - показывает величину потока энергии или продуктивности на последовательных уровнях (рис.5).

В противоположность  пирамидам чисел и биомассы, отражающим статику системы (количество организмов в данный момент), пирамида энергии  отражая картину скоростей прохождения  массы пищи (количества энергии) через  через каждый трофический уровень пищевой цепи, дает наиболее полное представление о функциональной организации сообществ. На форму этой пирамиды не влияют изменения размеров и интенсивности метаболизма особей, и если учтены все источники энергии, то пирамида всегда будет иметь типичный вид с широким основанием и суживающейся верхушкой. При построении пирамиды энергии в ее основание часто добавляют прямоугольник, показывающий приток солнечной энергии.  Пирамиды энергии позволяют сравнивать энергетическую значимость популяций внутри экосистемы и иллюстрировать количественные отношения в отдельных, представляющих особый интерес частях экосистем, например, в звеньях жертва-хищник или хозяин-паразит.

В 1942 г. американский эколог Р. Линдеман сформулировал закон пирамиды энергий (закон 10 процентов), согласно которому с одного трофического уровня через пищевые цепи на другой трофический уровень переходит в среднем около 10% поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды энергии. Остальная часть энергии теряется в виде теплового излучения, на движение и т.д. Организмы в результате процессов обмена теряют в каждом звене пищевой цепи около 90% всей энергии, которая расходуется на поддержание их жизнедеятельности.

Если  заяц съел 10 кг растительной массы, то его собственная масса может  увеличиться на 1 кг. Лисица или волк, поедая 1 кг зайчатины, увеличивают  свою массу уже только на 100 г. У  древесных растений эта доля много  ниже из-за того, что древесина плохо  усваивается организмами. Для трав и морских водорослей эта величина значительно больше, поскольку у  них отсутствуют трудноусвояемые ткани. Однако общая закономерность процесса передачи энергии остается: через верхние трофические уровни ее проходит значительно меньше, чем через нижние. Рассмотрим превращение энергии в экосистеме на примере простой пастбищной трофической цепи, в которой имеется всего три трофических уровня.

уровень - травянистые растения,

уровень - травоядные млекопитающие, например, зайцы 

уровень - хищные млекопитающие, например, лисы

Питательные вещества создаются в процессе фотосинтеза  растениями, которые из неорганических веществ (вода, углекислый газ, минеральные  соли и т.д.) с использованием энергии  солнечного света образуют органические вещества и кислород, а также АТФ. Часть электромагнитной энергии  солнечного излучения при этом переходит  в энергию химических связей синтезируемых  органических веществ. Все органическое вещество, создаваемое в процессе фотосинтеза называется валовой первичной продукцией (ВПП). Часть энергии валовой первичной продукции расходуется на дыхание, в результате чего образуется чистая первичная продукция (ЧПП), которая и является тем самым веществом, которое поступает на второй трофический уровень и используется зайцами. Пусть ВПП составляет 200 условных единиц энергии, а затраты растений на дыхание (R) - 50%, т.е. 100 условных единиц энергии. Тогда чистая первичная продукция будет равна: ЧПП = ВПП - R (100 = 200 - 100), т.е. на второй трофический уровень к зайцам поступит 100 условных единиц энергии. Однако, в силу разных причин зайцы способны потребить лишь некоторую долю ЧПП (в противном случае исчезли бы ресурсы для развития живой материи), существенная же ее часть, в виде отмерших органических остатков (подземные части растений, твердая древесина стеблей, ветвей и т.д.) не способна поедаться зайцами. Она поступает в детритные пищевые цепи и (или) подвергается разложению редуцентами (F). Другая часть идет на построение новых клеток (численность популяции, прирост зайцев - Р) и обеспечение энергетического обмена или дыхания (R).  В этом случае, согласно балансовому подходу, балансовое равенство расхода энергии (С) будет выглядеть следующим образом:   С = Р + R + F, т.е. поступившая на второй трофический уровень энергия будет израсходована, согласно закону Линдемана, на прирост популяции - Р - 10%, остальные 90% будут израсходованы на дыхание и удаление неусвоенной пищи. Таким образом, в экосистемах с повышением трофического уровня происходит быстрое уменьшение энергии, накапливаемой в телах живых организмов. Отсюда ясно почему каждый последующий уровень всегда будет меньше предыдущего и почему цепи питания обычно не могут иметь более 3-5 (редко 6) звеньев, а экологические пирамиды не могут состоять из большого количества этажей: к конечному звену пищевой цепи так же, как и к верхнему этажу экологической пирамиды, будет поступать так мало энергии, что ее не хватит в случае увеличения числа организмов. Такая последовательность и соподчиненность связанных в форме трофических уровней групп организмов представляет собой потоки вещества и энергии в биогеоценозе, основу его функциональной организации.

74. Экологические  системы 

экология  экосистема трофическая связь

Экологическая система - единые, устойчивые, взаимозаменяемые, саморазвивающиеся, саморегулирующиеся совокупности естественных компонентов  природной среды, осуществляющие процессы обмена веществ и энергии. Различаются естественные экологические системы - первозданные, неизменные или относительно мало изменяемые человеком, модифицированные - частично или полностью изменяемые в процессе хозяйственной деятельности, трансформированные - преобразованные человеком естественные экологические системы. Естественная экологическая система - объективно существующая часть природной среды, которая имеет пространственно-территориальные границы и в которой живые (растения, животные и другие организмы) и неживые ее элементы взаимодействуют как единое функциональное целое и связаны между собой обменом веществом и энергией. 1 Природный объект - естественная экологическая система, природный ландшафт и составляющие их элементы, сохранившие свои природные свойства. Специфика эколого-правового регулирования обусловлена наличием особых экологических систем, каждой из которых присущи некоторые общие признаки. Составными элементами экосистемы являются объекты естественного происхождения. Любая экосистема характеризуется замкнутостью, т.е. самостоятельным, без посторонней помощи, функционированием (например, на сенокосах и пастбищах самопроизвольно вырастает весной и летом трава. Пахотные же земли не могут функционировать без человеческого вмешательства - без посева, вспашки, ухода, борьбы с сорняками они зарастают сорной травой и т.п.).

75. Человек  с недавних пор стал очень  активно влиять на жизнь биогеоценоза. Хозяйственная деятельность людей  - мощный фактор преобразования  природы. В результате этой  деятельности формируются своеобразные  биогеоценозы. К числу их можно  отнести, например, агроценозы, представляющие собой искусственные биогеоценозы, возникающие в результате сельскохозяйственной деятельности человека. Примерами могут служить искусственно создаваемые луга, поля, пастбища. Создаваемые человеком искусственные биогеоценозы требуют неустанного внимания и активного вмешательства в их жизнь. Конечно, в искусственных и естественных биогеоценозах много сходного и различного, но на этом мы останавливаться не будем. Влияет человек и на жизнь естественных биогеоценозов, но, конечно, не настолько сильно, как на агроценозы. Примером могут служить лесничества, создаваемые для высадки молодых деревьев, а также для ограничения охотничьего промысла. Примером могут также служить заповедники и национальные парки, создаваемые для охраны каких-то определенных видов растений и животных. Создаются также массовые общества, пропагандирующие сохранение и охрану окружающей среды, такие как общество "зеленых" и т.п.