Короткі теоретичні відомості. Основні поняття і терміни

Швидкість, з якою продуценти екосистеми фіксують сонячну енергію в хімічних зв’язках органічних речовин, називається продуктивністю екосистем.

В екосистемах розрізняють два види продукції: первинну і вторинну.

Первинна продукція – це маса рослин, яка утворюється в результаті їх росту за одиницю часу (виражається у г, кг або в кДж).

Первинна продукція є енергетичним резервом для консументів і редуцентів. Вона використовується для поповнення маси консументів і редуцентів, тобто на утворення вторинної продукції.

Екосистеми дуже різні за відносною швидкістю утворення і використання первинної і вторинної продукції на кожному трофіч­ному рівні. Однак, усім без винятку екосистемам властиві певні кількісні співвідношення первинної і вторинної продукції, які отримали назву правила піраміди продукції: на кожному поперед­ньому трофічному рівні кількість біомаси, яка утворюється за одиницю часу, більша, ніж на наступному. Графічно це правило зображують у вигляді пірамід, які звужуються доверху і утворюються прямокутниками рівної висоти, які поставлені один на один. Піраміда продукції відображає закони використання енергії в харчових ланцюгах.

У тих трофічних ланцюгах, де передача енергії відбувається в основному через зв’язки хижак–жертва, часто витримується правило піраміди чисел. Це пов'язано з тим, що хижаки, як правило, більші за об'єкт свого харчування і для підтримки біомаси самого хижака потрібно кілька чи багато жертв. Правило піраміди чисел було підмічене ще у 1927р. Ч. Елтоном, який відмітив також, що воно не застосовується до ланцюгів живлення паразитів, розміри яких з кожною ланкою зменшуються, а чисельність особин збільшується, а також у водній екосистемі.

В більшості наземних екосистем діє також правило піраміди біомас. При відборі зразків на даний момент часу завжди визначають так звану біомасу на корені. Але ця величина не дає нам ніякої інформації про швидкість утворення біомаси (продуктивність) або її споживання. При цьому можуть виникнути помилки з двох причин:

1. Якщо швидкість споживання біомаси приблизно відповідає швидкості її утворення, то врожай на корені не обов'язково свідчить про продуктивність, тобто про кількість енергії і речовини, які проходять з одного трофічного рівня на інший за певний проміжок часу. Наприклад, на родючому, але інтенсивно використовуваному пасовищі, врожай на корені може бути менший, а продуктивність вищою, ніж на менш родючому, але мало використовуваному для випасу тварин.

2. Продуцентам невеликих розмірів (водорості) властива висока швидкість відтворювання, яка врівноважується інтенсивним їх споживанням у їжу іншими організмами і природною їх загибеллю. Тому біомаса на корені з цих рослин може бути мала в порівнянні з великими продуцентами (деревні рослини), тоді як їх продуктивність може бути більшою. Адже дерева накопичують біомасу протягом тривалого часу. Тобто фітопланктон, у якого продуктивність така ж, як і у деревних рослин, буде мати набагато меншу біомасу, хоча він може прогодувати таку ж масу тварин, як і деревні рослини. Тому внаслідок цього піраміда біомаси може мати перевернутий вигляд.

Найбільш правильно і фундаментально відбиває взаємозв'язки між живими організмами на різних трофічних рівнях піраміда енергії. Внаслідок значних втрат корисної енергії на кожній ланці харчового ланцюга, вони не можуть бути дуже довгими. У результаті втрат енергії кількість органічної речовини, яка утворилась у кожному наступному харчовому рівні, різко зменшується. Так, якщо прийняти, що у речовину тіла тварини переходить у середньому 10 % енергії від спожитої їжі, то очевидно, за рахунок 1т рослинної маси може уторитися 100 кг тіла травоїдної тварини, а за рахунок останньої лише 10 кг маси тіла хижаків.

Чим вище в піраміді знаходиться вид, тим він є найменш цінним за продуктивністю для екосистеми. При зникненні будь-якого виду з піраміди можна оцінити, як відреагує на це екосистема. Якщо зникає вид з малою чисельністю – це є меншою шкодою для екосистеми, ніж коли зникає багаточисельний вид, наприклад рослини, консументи І порядку, які дають велику кількість енергії наступним ланкам трофічного ланцюга екосистеми, від яких залежить існування інших видів трофічного ланцюга.

Аналіз екологічних пірамід і знання законів продуктивності екологічних систем має велике практичне значення, особливо для сільського господарства.

Хід роботи

1. Згадайте правило піраміди біомаси. Розгляньте рис. 3.1 і з’ясуйте відмінності між пірамідами А і Б, поясніть їх.

А Б

Рис. 3.1. Піраміди біомаси

2.Згадайте правило піраміди чисел і винятки з нього. Розгляньте рис. 3.2 і поясніть відмінності в наведених пірамідах чисел.

А Б В

Рис. 3.2. Піраміди чисел

3. Виконайте завдання екологічного змісту.

Завдання екологічного змісту

1. З перерахованих назв організмів виберіть продуцентів, консу­ментів і редуцентів: ведмідь, бик, білка, підберезовик, шипшина, скумбрія, жаба, гнилісні бактерії, ліщина, капуста, кактус, пеніцил, дріжджі.

2. В екосистемі основний потік речовини і енергії передається:

а) від редуцентів до консументів і далі до продуцентів;

б) від консументів до продуцентів і далі до редуцентів;

в) від продуцентів, до консументів і далі до редуцентів.

3. На суші найменш продуктивні екосистеми розташовані в:

а) тропічних лісах; б) помірних лісах;

в) степах і саванах; г) арктичних пустелях;

д) субтропічних лісах; е) жарких пустелях;

є) горах вище 3000 м.

4. Як відбувається процес зміни біогеоценозу: а) внаслідок поступової зміни природних факторів середовища; б) внаслідок збільшення чисельності особин у популяції; в) внаслідок стихійного лиха; г) під впливом діяльності людини (вирубування лісу, осушення боліт, випасання худоби); д) внаслідок зменшення чисельності особин у популяції?

5. Наведіть приклад штучно створених екосистем для використання їх у різних видах спорту.

6. Побудуйте екологічну піраміду чисел степу (влітку), якщо кількість особин, крім мікроорганізмів і ґрунтових тварин, на 1000 м² становить: продуцентів органічної речовини – 1 400 000, травоїдних тварин – 200 000, первинних хижаків – 80 000, вторинних хижаків – 1.

7. Побудуйте екологічну піраміду чисел помірної зони влітку, якщо кількість особин, крім мікроорганізмів і ґрунтових тварин, на 1000 м² становить: продуцентів – 200, первинних консументів – 150 000, вторинних консументів – 120 000, кінцевих хижаків – 1. Назвіть представників різних рівнів живлення і поясніть, чому побудована піраміда чисел, на відміну від піраміди з попередньої задачі, має вузьку основу? (При відповіді зверніть увагу на розміри продуцентів у першому і другому випадках).

8. Побудуйте піраміду біомаси озера, якщо суха маса у грамах на квадратний метр становить у продуцентів – 100, у первинних консументів – 10, у вторинних консументів – 3. Чи може піраміда біомаси мати більш вузьку основу, ніж наступний рівень живлення?

9. На підставі правила екологічної піраміди визначте, скільки кг водоростей і бактерій потрібно, щоб у Чорному морі виріс і міг існувати один дельфін масою в 400 кг?

10. Біомаса сухого сіна з 1 м² вико-вівсяного поля становить 500 г. Використавши правило екологічної піраміди, визначте, скільки гектарів вико-вівсяного поля потрібно, щоб нагодувати протягом року одного спортсмена масою 75 кг (із них 65 % становить вода) при ланцюзі живлення: трава – корова – людина.

Сформулюйте і запишіть висновок до лабораторної роботи.

Контрольні запитання

1. Які існують типи екологічних пірамід? Чим вони відрізняються?

2. Про що говорить правило піраміди чисел?

3. Якою буде піраміда чисел, якщо побудувати її відносно ланки "хазяїн – паразит"?

4. Сформулюйте правило піраміди біомас.

5. Що пояснює правило піраміди енергії?

6. Які організми знаходяться на різних трофічних рівнях екологічних пірамід?

7. Що таке біологічна продуктивність організмів? Які існують її типи?

8. Що називають сукцесією? Які є види сукцесій?

9. Що таке агроценоз? Наведіть приклади.

10. У яких видах спорту використовують природні і штучно створені біоценози? Наведіть приклади.

Список рекомендованої літератури

1. Злобін Ю. А. Загальна екологія / А. Ю. Злобін, Н. В. Кочубей. – Суми : ВТД Університетська книга, 2003. – 416 с. (С. 109-138, 166-205).

2. Чернова Н. М. Экология / Н. М. Чернова, А. М. Былова. – 2-е изд., перераб. – М.: Просвещение, 1988. – 272 с. (с. 208-238).

3. Тимченко А. Д. Збірник задач і вправ з біології / А. Д. Тимченко, Ю. І. Бажора, Л. Г. Кириченко – К.: Вища школа, 1992. – С. 250-275.

Лабораторна робота 4

Біосфера. Біогеохімічний
кругообіг хімічних елементів
у біосфері та різних типах
екосистем

Мета роботи: ознайомитися з особливостями саморегуляції екосистем внаслідок потоку речовин та енергії, кругообігом речовин у біосфері. З’ясувати вплив повноти кругообігу деяких елементів на стійкість природних та штучних екосистем.

Матеріали та обладнання: роздатковий матеріал – схеми кругообігів речовин та енергії.

Програма підготовки до заняття

1. Поняття про біосферу. Структура біосфери.

2. Планетарний потік енергії.

3. Кругообіг речовин у біосфері.

Питання для самостійного опрацювання

1. Біогеохімічні цикли води, Нітрогену, Карбону, Фосфору.

2. Вчення В. І. Вернадського про ноосферу.