32.Поток энергии в экосистеме. Правило 10 % энергии.

Питание - основной способ движения веществ и энергии.

Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ, которые необходимы для поддержания жизни. Главным источником энергии для подавляющего большинства живых организмов на Земле является Солнце. Фотосинтезирующие организмы (зеленые растения, цианобактерии, некоторые бактерии) непосредственно используют энергию солнечного света. При этом из углекислого газа и воды образуются сложные органические вещества, в которых часть солнечной энергии накапливается в форме химической энергии. Органические вещества служат источником энергии не только для самого растения, но и для других организмов экосистемы. Высвобождение заключенной в пище энергии происходит в процессе дыхания. Продукты дыхания - углекислый газ, вода и неорганические вещества - могут вновь использоваться зелеными растениями. В итоге вещества в данной экосистеме совершают бесконечный круговорот. При этом энергия, заключенная в пище, не совершает круговорот, а постепенно превращается в тепловую энергию и уходит из экосистемы. Поэтому необходимым условием существования экосистемы является постоянный приток энергии извне.

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.

Правило одного процента. Согласно правилу одного процента изменение энергетики природной системы в пределах 1% выводит природную систему из равновесного (квазистационарного) состояния. Все крупномасштабные явления на поверхности Земли (мощные циклоны, извержения вулканов, процесс глобального фотосинтеза), как правило, имеют суммарную энергию, не превышающую I % от энергии солнечного излучения, падающего на поверхность нашей планеты. Искусственное внесение энергии в биосферу не должно превышать этого предела. Переход энергетики процесса за это значение (1%) обычно приводит к существенным аномалиям: резким климатическим отклонениям, переменам в характере растительности, крупным лесным и степным пожарам.

Правило десяти процентов (закон пирамиды энергии). В соответствии с законом пирамиды энергии, с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой ее уровень в среднем не более 10% энергии.

Трофический уровень – совокупность всех живых организмов, принадлежащих к одному звену пищевой цепи. Первый трофический уровень – это всегда продуценты, создатели органических веществ, необходимых для всех живых организмов. Растительноядные консументы (фитотрофы или фитофаги) относятся ко второму трофическому уровню; плотоядные (хищники), живущие за счет фитофагов, принадлежат к третьему трофическому уровню; потребляющие других плотоядных соответственно относятся к четвертому и т.д.

Зеленые растения, потребляя солнечную энергию и неорганические вещества из внешней среды, путем фотосинтеза образуют органические вещества, т.е. производят биологическую продукцию, которую часто называют первичной продукцией или валовой продукцией продуцентов. Вторичной продукцией является биомасса, создаваемая консументами.

В процессе своей жизнедеятельности растения расходуют часть первичной продукции на дыхание, на образование новых клеток и тканей, на рост. Если вычесть из первичной продукции ту продукцию, которую израсходовали продуценты на свои нужды, то оставшаяся часть представляет собой то, что называют «чистой продукцией». Чистая продукция в виде биомассы и перемещается непрерывно с одного трофического уровня на другой. Чистая первичная продукция, захваченная консументами в виде корма, также расходуется ими на процессы жизнедеятельности и на построение вторичной продукции т.е. биомассы фитофагов), а часть возвращается в абиатическую среду в виде экскрементов, выделений и трупов. В свою очередь, запасенные в фитофагах биомасса и энергия в количестве примерно 10% передаются следующему уровню потребителей, обеспечивая их существование, разнообразие и численность.

Закон пирамиды энергии позволяет делать расчеты необходимой земельной площади для обеспечения населения продовольствием и другие эколого-экономические подсчеты.

Среднемаксимальный переход энергии (или вещества в энергетическом выражении) с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой составляет 10%, может колебаться от 7 до 17%. Эта величина не приводит к неблагоприятным для экосистемы последствиям и поэтому может быть принята за норму для природопользования в хозяйственной деятельности человека. Превышение же этой величины недопустимо, так как в этом случае могут произойти полные исчезновения популяций. Закон пирамиды энергий и правило десяти процентов служат общим ограничением в природопользовании для хозяйственной деятельности человека.

Правило обязательности заполнения экологических ниш. Пустующая экологическая ниша всегда бывает естественно заполнена. Экологическая ниша как функциональное место вида в экосистеме позволяет форме, способной выработать приспособительные особенности, заполнить эту нишу, но иногда это требует значительного времени.

Примечание. Вероятным примером правила обязательности заполнения экологических ииш служит возникновение новых заболеваний, например, СПИДа (синдрома приобретенного иммунодефицита). Он был гипотетически предсказан более чем за 10 лет до выявления болезни как гриппоподобный вирус с высокой летальностью заболевших. Основанием для предсказания служило то, что победа над многими инфекционными болезнями человека высвободила экологические ниши, которые неминуемо должны были быть заполнены. Поскольку при экологическом дублировании, как правило, смена идет в направлении от более крупных по размерам и высокоорганизованных форм к менее крупным и организованным, было предположено, что одна из экологических ниш будет заполнена именно вирусом с высокой степенью изменчивости. Таким образом, гипотеза, видимо оправдалась.

Правило неизбежных цепных реакций («жесткого» управления природой) . «Жесткое» техническое управление природными системами и процессами чревато цепными природными реакциями, значительная часть которых экологически, социально и экономически не приемлема в длительном интервале времени. Пример с Аральской катастрофой. Переброска вод северных рек привела бы к нежелательным экологическим эффектам (затопление громадной площади земель, гибель лесных, нефтяных, газовых месторождений и др.)

Правило «мягкого» управления природой. «Мягкое» (опосредованное) управление природой вызывает желательные для человека цепные реакции.

«Мягкое» управление более предпочтительно, чем «жесткое» техногенное решение, несмотря на большие первоначальные затраты. Это правило целесообразного преобразования природы. В отличие от «жесткого» управления (см. Правило цепных реакций при «жестком» управлении) «мягкое» управление, основанное на восстановлении бывшей естественной продуктивности экосистем или её повышении путем целенаправленной и основанной на использовании объективных законов природы серии мероприятий, позволяет направлять природные цепные реакции в благоприятную для хозяйства и жизни людей сторону. Примером может служить сопоставление двух форы ведения лесного хозяйства - сплошнолесосечных («жесткое» воздействие) и выборочных рубок («мягкое» воздействие). Считается экономически более рентабельной сплошная рубка, при которой в один прием забирается вся древесина. При выборочной рубке возникает много осложнений технического порядка, и поэтому себестоимость заготовки древесины оказывается дороже. При этом предполагается, что на сплошных лесосеках лес можно и нужно восстанавливать путем его массовой посадки (и это мероприятие обходится в целом недорого). Однако при сплошных рубках постепенно теряется сама лесная среда, что ведет к падению уровня рек, в других местах - к заболачиванию, зарастанию лесосеки нелесными видами растений, препятствующим росту леса, возникновению очагов размножения вредителей леса и др. неблагоприятным последствиям. Более низкие начальные затраты «жесткого» мероприятия дают цепь ущербов, требующих затем больших расходов на их ликвидацию. Наоборот, при выборочных рубках восстановление леса облегчается из-за сохранения лесной среды. Повышенные начальные затраты постепенно окупаются в результате предотвращения экологических ущербов.

Переход от «мягкого» к «жесткому» управлению целесообразен лишь при одновременной замене экстенсивных форм хозяйства предельно интенсивными и, как правило, в пределах относительно коротких интервалов времени. В долгосрочной перспективе эффективно только «мягкое» управление природными процессами. См. также Принципы преобразования природы.

Правило «экологично-экономичное». Нельзя противопоставлять экономику и экологию. Нельзя снижать темпы индустриализации - это будет означать своего рода экономический утопизм, точно также нельзя снижать усилия в области экологии - это будет экологический экстремизм. Решение вопроса находится где-то посередине.

Правило интегрального ресурса. Конкурирующие в сфере использования конкретных природных систем отрасли хозяйства неминуемо наносят ущерб друг другу тем сильнее, чем значительнее они изменяют совместно эксплуатируемый экологический компонент или всю экосистему в целом. Например, в водном хозяйстве гидроэнергетика, транспорт, коммунальное хозяйство, орошаемое земледелие и рыбная промышленность связаны таким образом, что в наименее выигрышном положении оказывается промысел рыбы. Чем полнее гидроэнергетическое использование вод, тем сложнее ведение других отраслей водного хозяйства: развитие водного транспорта осложняет другие способы использования воды, а орошение вызывает затруднения в сопряженных формах эксплуатации вод.

Правило демографического насыщения . В глобальной или регионально изолированной совокупности количество народонаселения соответствует максимальной возможности поддержания его жизнедеятельности, включая все аспекты сложившихся потребностей человека.

По сути, данное правило гласит, что человек, как и любой другой биологический вид, будет увеличивать свою численность до максимально возможных размеров, которые определяются емкостью среды, и не более. Однако человечество создает давление на среду не столько биологически, сколько техногенно. Фактически сейчас в мире наблюдается не демографическое насыщение, а с учетом всех потребностей человека, а техническое перенасыщение. Несоблюдение правила демографического насыщения дает резкий дисбаланс в системе взаимоотношений «человек-природа». Теоретически возможна ситуация, когда реализуются ограничивающие механизмы в произойдет демографическая катастрофа (резкое снижение численности популяции человека).

2017 Федеральная служба по надзору в сфере образования и науки

Российской Федерации

Проверочная работа включает в себя 16 заданий. На выполнение работы по биологии отводится 1 час 30 минут (90 минут).
Записывайте ответы на задания в отведённом для этого месте в работе. В случае записи неверного ответа зачеркните его и запишите рядом новый.
При выполнении работы разрешается использовать калькулятор.
При выполнении заданий Вы можете использовать черновик. Записи в черновике проверяться и оцениваться не будут.
Советуем выполнять задания в том порядке, в котором они даны. Для экономии времени пропускайте задание, которое не удаётся выполнить сразу, и переходите к следующему. Если после выполнения всей работы у Вас останется время, Вы сможете вернуться к пропущенным заданиям.
Баллы, полученные Вами за выполненные задания, суммируются. Постарайтесь выполнить как можно больше заданий и набрать наибольшее количество баллов.
Желаем успеха!

ВАРИАНТ 1

1. Выберите из приведённого перечня систематических таксонов три таксона, которые являются общими при описании изображённых организмов.

Перечень таксонов:
1) класс Двудольные
2) империя Неклеточные
3) надцарство Прокариоты
4) царство Растения
5) подцарство Многоклеточные
6) отдел Цветковые

ОТВЕТ

Все существующие на нашей планете растения объединяют в одно царство , которое называется Растения .

Растения делятся на два подцарства – высшие и низшие.

К низшим растениям относят водоросли.

А высшие растения делятся на Споровые и Семенные. К споровым относят отделы Мхи, Хвощи, Плауны и Папоротники. А к семенным – отдел Голосеменные и отдел Покрытосеменные (Цветковые).

Голосеменные растения не имеют травянистых форм, а так как мы видим, что данные нам растения точно не деревья и не кустарники, то они относятся к отделу Цветковые (такой же вывод можно было сделать и по наличию цветков и плодов).

Капуста огородная – растение семейства Крестоцветные (Капустные), горох посевной принадлежит к семейству Бобовые, а картофель из семейства Паслёновые. Растения этих семейств принадлежат к классу Двудольные .

Таким образом, правильными ответами являются пункты 1 , 4 ,6 .

Давайте, исключим остальные варианты ответов.

Эти растения не относят к империи Неклеточные, т.к. они имеют клеточное строение, т.е. состоят из клеток. Их не относят к надцарству Прокариоты, так как прокариоты – организмы, не имеющие ядра в клетке, а у растений ядро есть. Они не относятся к подцарству Многоклеточные, так как в систематике растений есть подцарства Высшие и Низшие, а подцарства Многоклеточны0е вообще нет.

2. Правило Аллена гласит, что среди родственных форм теплокровных животных, ведущих сходный образ жизни, те, которые обитают в более холодном климате, имеют относительно меньшие выступающие части тела: уши, ноги, хвосты и т.д.

1. Запишите в таблицу соответствующую последовательность цифр, которыми обозначены
фотографии.

2. Используя знания в области терморегуляции, объясните правило Аллена.
ОТВЕТ

Ответ на 1 вопрос: 312 Ответ на 2 вопрос: чем больше поверхность тела теплокровного животного, тем интенсивнее идёт отдача тепла. Этому способствуют большие уши.

Ответить на 1 вопрос совсем не трудно. Стоит учесть, что требуется расставить животных, начиная с самого северного, а по правилу Аллена у северных животных выступающие части тела меньше. Значит, мы должны расставить животных, начиная с того, которое имеет самые маленькие уши.

Уменьшение у животных выступающих частей тела приводит к уменьшению поверхности тела, а следовательно, к уменьшению теплоотдачи. Это помогает животным, обитающим в холодных условиях, экономить тепло. На этом должен основываться ответ на 2 вопрос.

1. Распределите организмы по их положению в пищевой цепи.
В каждую ячейку запишите
название одного из предложенных организмов.
Перечень организмов: кузнечики, растения, змеи, лягушки, орёл.

Пищевая цепь

2. Правило гласит: «не более 10% энергии поступает от каждого предыдущего трофического уровня к последующему». Используя это правило, рассчитайте величину энергии (в кДж), которая переходит на уровень консументов II порядка при чистой годовой первичной продукции экосистемы 10 000 кДж.

ОТВЕТ

1. растения – кузнечики – лягушки – змеи – орёл

4. Изучите рисунок. Благодаря какому процессу образовалось такое многообразие изображённых организмов?

ОТВЕТ

Искусственный отбор,
ИЛИ мутационная изменчивость,
ИЛИ наследственная изменчивость

5. Изучите график, отражающий зависимость скорости реакции, катализируемой ферментом, от температуры тела собаки (по оси х отложена температура тела собаки (в °С), а по оси у – скорость химической реакции (в усл. ед.)).

Известно, что температура тела здоровой собаки находится в пределах 37,5–38,5 °С. Как изменится скорость химических реакций в организме собаки, если температура её тела будет выше нормальной?

ОТВЕТ

Скорость химических реакций будет снижаться (падать)

6. Заполните пустые ячейки таблицы, используя приведённый ниже список пропущенных элементов: для каждого пропуска, обозначенного буквой, выберите и запишите в таблицу номер нужного элемента.

Пропущенные элементы:
1) ДНК
2) анатомия
3) организменный
4) хлоропласт
5) молекулярно-генетический
6) цитология

ОТВЕТ

7. Холестерин играет важную роль в обмене веществ и работе нервной системы. Он поступает в организм из продуктов животного происхождения. В растительных продуктах его практически нет. Количество холестерина, поступающего в организм с пищей, не должно превышать 0,3–0,5 г в сутки.

1. Используя данные таблицы, рассчитайте количество холестерина в завтраке человека, который съел 100 г нежирного творога, 25 г «Голландского» сыра, 20 г сливочного масла и две сосиски.

2. Какую опасность для здоровья человека представляет избыток холестерина в организме человека?

ОТВЕТ

2. поражение кровеносных сосудов,
ИЛИ развитие атеросклероза,
ИЛИ ишемическая болезнь сердца

8. Сергей пришёл к врачу из-за плохого самочувствия. Врач дал ему направление на анализ, результаты которого показали, что количество лейкоцитов равно 2,5×108 при норме 4–9×109. Какой анализ предложил сдать врач и какой диагноз он поставил на основе полученных результатов? Выберите ответы из следующего списка и запишите в таблицу их номера.

Список ответов:
1) нарушение углеводного обмена
2) кислородная недостаточность
3) анализ крови
4) снижение иммунитета
5) анализ кала

ОТВЕТ 34

Запишите номер каждой из болезней в списке в соответствующую ячейку таблицы. В ячейках таблицы может быть
записано несколько номеров.

Список болезней человека:
1) ветряная оспа
2) синдром Дауна
3) инфаркт миокарда
4) дизентерия
5) малярия

ОТВЕТ

10. медицинской генетике широко используется генеалогический метод. Он основан на составлении родословной человека и изучении наследования того или иного признака. В подобных исследованиях используются определённые обозначения. Изучите фрагмент родословного древа одной семьи, у некоторых членов которой имеется глухонемота.

Фрагмент родословного древа семьи

Используя предложенную схему, определите:
1) данный признак доминантный или рецессивный;
2) данный признак не сцеплен или сцеплен с половыми хромосомами.

ОТВЕТ

рецессивный признак

2. признак не сцеплен с полом

11. Света всегда хотела иметь такие же «ямочки» на щеках, как у её мамы (доминантный признак (А) не сцеплен с полом). Но «ямочки» у Светы отсутствовали, как у её отца. Определите генотипы членов семьи по признаку наличия или отсутствия «ямочек». Ответы занесите в таблицу.

ОТВЕТ

Мать – Аа; отец – аа; дочь – аа

12. В суде рассматривался иск об установлении отцовства ребёнка. Был сделан анализ крови ребёнка и его матери. У ребёнка она оказалась II(А), а у матери – I(0). Проанализируйте
данные таблицы и ответьте на вопросы.

1. Мать ребёнка заявляла в суде, что отцом её сына является мужчина с IV(АВ) группой крови. Мог ли он быть отцом ребёнка?

2. Руководствуясь правилами переливания крови, решите, может ли ребёнок быть донором крови для своей матери.

3. Используя данные таблицы «Группы крови по системе АВ0» объясните своё решение.

* Примечание.
Антиген - любое вещество, которое организм рассматривает как чужеродное или потенциально опасное и против которого обычно начинает вырабатывать собственные антитела.
Антитела - белки плазмы крови, образующиеся в ответ на введение в организм человека бактерий, вирусов, белковых токсинов и других антигенов.

ОТВЕТ

Ответ на 1 вопрос: да
Ответ на 2 вопрос: нет
Ответ на 3 вопрос: в результате одновременного нахождения в кровяном русле матери, при переливании, одноименных антигенов А ребёнка и антител α (матери) произойдёт склеивание эритроцитов, что может привести к смерти матери

13. В биохимической лаборатории изучался нуклеотидный состав фрагмента молекулы ДНК пшеницы. Было установлено, что в пробе доля адениновых нуклеотидов составляет 10%.
Пользуясь правилом Чаргаффа, описывающим количественные соотношения между различными типами азотистых оснований в ДНК (Г + Т = А + Ц), рассчитайте в этой пробе процент нуклеотидов с цитозином.

ОТВЕТ 40%

1. Рассмотрите изображение двумембранного органоида эукариотической клетки. Как он называется?

2. Нарушение какого процесса произойдёт в клетке в случае повреждений (нарушений в работе) данных органоидов?

ОТВЕТ

1. митохондрия

2. энергетического обмена,
ИЛИ процесса дыхания,
ИЛИ биологического окисления

15. Генетический код - свойственный всем живым организмам способ кодирования последовательности аминокислотных остатков в составе белков при помощи
последовательности нуклеотидов в составе нуклеиновой кислоты.
Изучите таблицу генетического кода, в которой продемонстрировано соответствие аминокислотных остатков составу кодонов. На примере аминокислоты серин (Сер), объясните следующее свойство генетического кода: код триплетен.

Таблица генетического кода

ОТВЕТ

1) каждой аминокислоте соответствует сочетание из трёх нуклеотидов
(триплетов, кодонов);
2) кодирование аминокислоты серин (Сер) может произойти с
помощью одного из следующих кодонов (триплетов): ТЦТ, ТЦЦ,
ТЦА, ТЦГ, АГТ, АГЦ

16. На рисунке изображён археоптерикс – вымершее животное, обитавшее 150–147 млн лет назад.

Используя фрагмент геохронологической таблицы, установите эру и период, в который обитал данный организм, а также его возможного предка уровня класса (надотряда) животных.

Эра: ______________________________________________________________
Период:___________________________________________________________
Возможный предок:_________________________________________________

ОТВЕТ

Эра: мезозойская эра;
Период: юрский период;
Возможный предок: древние пресмыкающиеся, ИЛИ
пресмыкающиеся, ИЛИ рептилии, ИЛИ динозавры

ВАРИАНТ 2

Перечень таксонов:
1) царство Растения
2) класс Папоротниковидные
3) класс Моховидные
4) отдел Папоротникообразные
5) отдел Голосеменные
6) подцарство Низшие растения

Запишите номера выбранных таксонов.

ОТВЕТ

На рисунках изображены растения (есть органы растений – листья, стебли); класс Па­по­рот­ни­ко­вид­ные отдел Па­по­рот­ни­ко­об­раз­ные – Папоротникообразные имеют корни и побеги (стебли с листьями), размножаются спорами.

Листья нарастают верхушкой (как побе­ги), молодые листья образуют на верхушке завитки - «улитки», которые защищают верхушечную меристему. Из-за этих особенностей, не свойственных листьям, их называ­ют вайями. На корневище образуются придаточные корни. На 2 рисунке – водный папоротник.

Ответ: 142.

2. Закон лимитирующего фактора гласит, что наиболее важным для выживания вида является тот фактор, который больше отклоняется от оптимальных для него значений. Факторы, которые сдерживают развитие организмов из-за недостатка или их избытка по сравнению с потребностями, называют лимитирующими (ограничивающими).

На рисунках изображены различные природные экосистемы. Расположите эти экосистемы в той последовательности, в которой значение лимитирующего фактора (недостаток тепла) снижается.

Запишите в таблицу соответствующую последовательность цифр, которыми обозначены экосистемы.

2. Наглядной иллюстрацией закона лимитирующего фактора является бочка Либиха. Что на рисунке символизирует лимитирующий фактор?

ОТВЕТ

2.1: 231
2.2: ко­рот­кая доска сим­во­ли­зи­ру­ет ли­ми­ти­ру­ю­щий фак­тор; её длина опре­де­ля­ет уро­вень, до ко­то­ро­го бочку можно на­пол­нить, причём длина дру­гих досок уже не имеет зна­че­ния

2.1. На рисунках изображены природные зоны: 1 - степь; 2 - тундра; 3 - широколиственный лес.
По условию задания зна­че­ние ли­ми­ти­ру­ю­ще­го фак­то­ра (не­до­ста­ток тепла) сни­жа­ет­ся , т.е. среднегодовая температура повышается: тундра→ широколиственный лес →степь

2.2. Существуют разные формулировки этого закона. Но суть закона минимума (или закона ограничивающего фактора) можно сформулировать так:
Жизнь организма зависит от множества факторов. Но, наиболее значимым в каждый момент времени является тот фактор, который наиболее уязвим.
Иными словами, если в организме какой-то из факторов существенно отклоняется от нормы, то именно этот фактор в данный момент времени является наиболее значимым, наиболее критическим для выживания организма.
Важно понимать, что для одного и того же организма в разное время такими критически важными (или по-другому лимитирующими) факторами могут совершенно разные факторы.
В этой полусломанной бочке – лимитирующим фактором является высота доски. Очевидно, что вода будет переливаться через самую маленькую доску в бочке. В этом случае нам уже будет не важной высота остальных досок – все равно бочку наполнить будет нельзя.
Наименьшая доска – это и есть тот самый фактор, который наиболее отклонился от нормального значения.

1. Распределите организмы по их положению в пищевой цепи. В каждую ячейку запишите название одного из предложенных организмов. Перечень организмов: ласка, листовой опад, крот, дождевой червь.

Пищевая цепь

2. «Правило 10%»: при переходе с одного трофического уровня на другой 90 % энергии рассеивается. Используя «Правило 10%», рассчитайте массу дождевых червей (в кг), необходимых для нормальной жизнедеятельности одной ласки массой 102 г, в цепи питания листовой опад → дождевые черви → крот → ласка

ОТВЕТ

1. листовой опад→дождевой червь→крот→ласка

Детритные пищевые цепи (цепи разложения) - пищевые цепи, которые начинаются с детрита – отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных. Гетеротрофные организмы, питающиеся непосредственно детритом, называются детритофагами. Далее следуют консументы (вторчные потребители)

Количество растительного вещества, служащего основой цепи питания, примерно в 10 раз больше, чем масса растительноядных животных, и каждый последующий пищевой уровень также имеет массу, в 10 раз меньшую. Это правило известно как правило Линдемана, или правило 10 процентов.

При расчете массы и энергии снизу вверх – убираем по одному нулю при переходе на каждый уровень, а если движемся сверху вниз – добавляем по одному нулю.

Собственно, цепь питания: листовой опад → дождевые черви → крот → ласка

Кротов 102 г *10 = 1020 г

Червей 1020 г * 10= 10200 г или 10 кг 200 г

4. Изучите рисунок. В результате какого процесса образовалось такое многообразие изображённых на рисунке живых организмов?

ОТВЕТ

искусственный отбор ИЛИ мутационная изменчивость ИЛИ наследственная изменчивость.

Мно­го­об­ра­зие пород голубей яв­ля­ет­ся ре­зуль­та­тов ис­кус­ствен­но­го от­бо­ра - это отбор про­из­во­ди­мый че­ло­ве­кам на ос­но­ве му­та­ци­он­ной (на­след­ствен­ной) из­мен­чи­во­сти.

Че­ло­век вел отбор в опре­де­лен­ном на­прав­ле­нии: величине зоба, надклювье, хвост.

5. Изучите график, который отражает выживаемость вида в зависимости от температуры.

Определите, какое количество (в %) особей будет выживать в диапазоне температур от 15 до 25 °C.

ОТВЕТ 75-100%.

Пропущенные элементы:
1) абстрагирование
2) открытие новых видов
3) эволюционные процессы
4) использование специальных приборов
5) инструментальный
6) сбор фактов

Запишите в ответ цифры, расположив их в порядке, соответствующем буквам:

ОТВЕТ

1. Жиры - необходимая часть рациона человека.

Сергею 12 лет (вес 36 кг). Зимой на каникулах он посещал г. Кисловодск. После длительной прогулки по Курортному парку он обедал в кафе. В заказ входили следующие блюда: сложный горячий бутерброд со свининой, салат овощной, мороженое с шоколадным наполнителем, вафельный рожок и «Кока-кола». Используя данные таблиц 1 и 2, определите количество жиров, поступивших с пищей во время обеда, и их отношение к суточной норме.

Суточные нормы питания и энергетическая потребность детей и подростков

Таблица энергетической и пищевой ценности готовых блюд

2. Жиры - необходимая часть рациона человека.

Почему врачи-диетологи для похудения советуют уменьшить в рационе количество жиров, а не полностью от них отказаться?

ОТВЕТ

1. Количество жиров в обеде = 33 + 0 + 11 + 4 + 0 = 48 г; отношение поступивших с пищей жиров к суточной норме = 48: 61,2 (суточная потребность в жирах - 36 кг x 1,7) 0,78 (или 78%)

2. Полностью исключать жиры из рациона нельзя, так как жиры являются компонентами структур клетки (мембран) и входят в состав гормонов, способствуют усвоению некоторых витаминов.

8. На приёме у терапевта пациент жалуется на повышенную возбудимость, учащённый пульс, пучеглазие, дрожание рук, потливость, снижение массы тела при хорошем аппетите, перепады настроения. Какой диагноз поставит врач? К какому специалисту отправит пациента для уточнения диагноза? Выберите ответы из следующего списка и запишите в таблицу их номера.

Список ответов:

1) бронзовая болезнь
2) базедова болезнь
3) нарушение белкового обмена
4) невролог
5) эндокринолог

ОТВЕТ

Базедова болезнь, иначе называемая болезнью Грейвса (медицинское название – диффузный токсический зоб) представляет собой заболевание, связанное с отклонением работы щитовидной железы (ее увеличение в размере и чрезмерная выработка гормонов).

Начинается Базедова болезнь для обычного человека практически незаметно. Ее первыми признаками могут быть: повышенная потливость, частое дрожание верхних конечностей, бессонница, перепады в настроении. Кожа больного с течением времени становится более смуглой, в районе его нижних конечностей можно заметить небольшие постоянные отеки.

Эндокринолог - врач этой специализации следит за состоянием эндокринной системы организма. Эндокринолог занимается диагностированием и лечением, а также предотвращением проблем гормональной регуляции в нашем организме.

9. Определите происхождение болезней, приведённых в списке. Запишите номер каждой из болезней в списке в соответствующую ячейку таблицы. В ячейках таблицы может быть записано несколько номеров.

Список болезней человека:

1) гепатит
2) туберкулёз
3) ангина
4) сколиоз
5) грипп

ОТВЕТ

10. Изучите фрагмент родословной.

Установите характер наследования признака, выделенного на схеме чёрным цветом.

1) Данный признак доминантный или рецессивный?

2) Данный признак сцеплен или не сцеплен с полом?

ОТВЕТ

1. Признак является доминантным аутосомным, т. к. проявляется в каждом поколении.

2. С оди­на­ко­вой ве­ро­ят­но­стью встре­ча­ет­ся и у муж­чин и у жен­щин - не сцеп­лен с Х-хро­мо­со­мой.

11. У родителей карие глаза. Их дочь имеет голубые глаза. Определите генотипы членов семьи по признаку «карие/голубые глаза». Ответы занесите в таблицу.

ОТВЕТ мать - Аа, отец - Аа, ребёнок - аа.

12. У матери четвёртая (AB) группа крови, у отца - первая (00). Проанализируйте данные таблицы и ответьте на вопросы.

1. Кровь какой группы имеет их дочь?
2. Руководствуясь правилами переливания крови, решите, может ли отец быть донором крови для своей дочери.

3. Используя данные таблицы «Классификация крови по группам», объясните своё решение.

* Примечание.

Антиген - любое вещество, которое организм рассматривает как чужеродное или потенциально опасное и против которого обычно начинает вырабатывать собственные антитела.

Антитела - белки плазмы крови, образующиеся в ответ на введение в организм человека бактерий, вирусов, белковых токсинов и других антигенов.

ОТВЕТ

Элементы ответа:

12.1. Ответ: II (A) или III (B)

Воспользуемся таблицей. Находим столбец с группой крови отца I (0), ищем строку – IV (AB)группу крови у матери. На пересечении находим группу крови возможных детей –II (A), III (B)

12.2. Ответ: да.

Воспользуемся схемой “переливание крови”. МОЖЕТ, НО – при переливании больших количеств крови следует использовать только одногруппную кровь.

12.3. Ответ: человек с первой группой крови (отец) является «универсальным донором», → его кровь можно переливать в кровь любой группы.

13. При изучении нуклеотидного состава фрагмента молекулы ДНК речного рака было установлено, что в пробе доля нуклеотидов с гуанином составляет 18%. Пользуясь правилом Чаргаффа, описывающим количественные соотношения между различными типами азотистых оснований в ДНК (Г + T = A + Ц), рассчитайте в этой пробе процент нуклеотидов с тимином.

ОТВЕТ

По пра­ви­лу ком­пле­мен­тар­но­сти ко­ли­че­ство гу­а­ни­на равно ко­ли­че­ству ци­то­зи­на; количество нуклеотидов с тимином равно количеству нуклеодидов с аденином.

18% цитозина = 18% гуанина по пра­ви­лу ком­пле­мен­тар­но­сти,
64% на тимин и аденин, а так как их рав­ное ко­ли­че­ство, то
32% аденина = 32% тимина.

Про­цент нук­лео­ти­дов с ти­ми­ном 100% – (18% Ц + 18% Г) = 64%:2=32

1. Рассмотрите изображение органоида. Как он называется?

2. Рассмотрите изображение органоида. Какие процессы обеспечивает изображённый органоид?

ОТВЕТ

1. На рисунке Аппарат Гольджи. Он представляет собой стопку дискообразных мембранных мешочков (цистерн), система трубочек и на концах пузырьки (образуются лизосомы)

2. Накопление и химическая модификация (процессинг) веществ, которые синтезируются в каналах ЭПС (эндоплазматической сети) в неактивной форме; транспорт модифицированных химических веществ; образование лизосом.

15. Генетический код - способ кодирования последовательности аминокислот в составе белков при помощи последовательности нуклеотидов в составе нуклеиновой кислоты у всех живых организмов. Изучите таблицу генетического кода, в которой продемонстрировано соответствие аминокислотных остатков составу кодонов. На примере аминокислоты метионин (MET) объясните такое свойство генетического кода, как однозначность (специфичность).

Генетический код

ОТВЕТ

Однозначность – один триплет не может кодировать более одной аминокислоты.

Аминокислота метионин (МЕТ) кодируется только одним триплетом. По иРНК АУГ; по ДНК ТАЦ

16. На рисунке изображены псилофиты - вымершие растения.

Используя фрагмент геохронологической таблицы, установите эру и период, в который появились данные организмы, а также возможного предка уровня отдела растений.

Геохронологическая таблица

ОТВЕТ

Воспользуемся таблицей, в третьей колонке найдем псилофиты; определяем по второй и первой колонкам эру и период, когда обитали псилофиты

Ответ: Эра: па­лео­зой­ская

Период: Силур

Предками псилофитов являются многоклеточные зеленые водоросли.

ВАРИАНТ 3

1. Выберите из приведённого перечня систематических таксонов три таксона, которые являются общими при описании изображённых организмов.

Перечень таксонов:

1) царство Животные
2) класс Ресничные черви
3) класс Сосальщики
4) тип Плоские черви
5) тип Кольчатые черви
6) тип Нематоды

Запишите номера выбранных таксонов.

2. Правило Бергмана гласит, что среди родственных форм теплокровных животных, ведущих сходный образ жизни, те, которые обитают в областях с преобладающими низкими температурами, имеют, как правило, более крупные размеры тела по сравнению с обитателями более теплых зон и областей.

Рассмотрите фотографии, на которых изображены представители трёх близкородственных видов млекопитающих. Расположите этих животных в той последовательности, в которой их природные ареалы расположены по поверхности Земли с севера на юг.

1. Запишите в таблицу соответствующую последовательность цифр, которыми обозначены фотографии.

2. Используя знания в области терморегуляции, объясните правило Бергмана.

3.1. Расставьте в правильной последовательности организмы в соответствии с их местом в цепи питания заливного луга. В каждую ячейку запишите название одного из предложенных организмов.

Перечень организмов: дождевой червь, сокол, уж, землеройка, перегной.

Пищевая цепь

_________ → _________ → _________ → _________ → _________

3.2. Правило гласит: «не более 10 % энергии поступает от каждого предыдущего трофического уровня к последующему». Используя это правило, рассчитайте величину энергии, которая переходит на уровень консументов I порядка при чистой годовой первичной продукции экосистемы 200 кДж.

4. Изучите рисунок. Какой тип взаимоотношений иллюстрирует рисунок?

5. Проанализируйте график скорости размножения молочнокислых бактерий и ответьте на следующий вопрос: как изменится скорость размножения бактерий в пределах температуры от 24°С до 34°С?

6. Заполните пустые ячейки таблицы, используя приведённый ниже список пропущенных элементов : для каждого пропуска, обозначенного буквой, выберите и запишите в таблицу номер нужного элемента.

Пропущенные элементы:

1) биосинтез белка;
2) экология;
3) организменный;
4) пищевые цепи;
5) проведение нервного импульса;
6) цитология;

7.1. Ниже приведена таблица, отражающая содержание витаминов в некоторых плодовых соках (по данным Популярной медицинской энциклопедии). В нижней строке показана средняя суточная потребность в этих веществах (в мг). Пользуясь таблицей, ответьте на вопросы, при расчетах используйте максимальный показатель данных (например, 2-8 – используем 8).

Достаточно ли выпить 250 мл цитрусового микса, состоящего из апельсинового (100мл), лимонного (50 мл) и мандаринового сока (100мл), чтобы удовлетворить суточную потребность в витамине А?

7.2. Аня, 14 лет, вес 55 кг, вегетарианка. Почему Юлии необходимо обращать особое внимание на содержание белков в заказываемых блюдах?

8. При прохождении обследования у Анастасии (19 лет) был установлен уровень сахара 12 ммоль/л при норме 3,2-5,5 ммоль/л. Какой анализ сдавала Анастасия? Какой диагноз предположительно поставит врач на основе полученных результатов? Выберите ответ из списка и запишите в таблицу номер ответа.

1) анализ крови
2) анализ мочи
3) нарушение углеводного обмена
4) воспалительный процесс
5) аллергическая реакция

Запишите в ответ цифры, расположив их в порядке, соответствующем буквам:

9. Определите, какие органы из приведённых в списке, получили свое развитие из каких зародышевых листков. Запишите номер органа в списке в соответствующую ячейку таблицы. В ячейках таблицы может быть записано несколько номеров.

Список органов человека:

1) ногти
2) бицепс
3) лёгкие
4) бедренная кость
5) головной мозг

10.1. По изображенной на рисунке родословной установите характер проявления признака (доминантный, рецессивный), обозначенного черным цветом. Определите генотип родителей и детей в первом поколении.

10.2. Изучите схему скрещивания кур.

Установите характер наследования чёрной окраски оперения у кур.

Данный признак наследуется по принципу полного или неполного доминирования?

11. У человека глаукома наследуется как аутосомно-рецессивный признак (а). Жена страдает глаукомой, а муж гетерозиготен по данному признаку. Определите генотипы родителей и вероятность рождения здорового ребёнка. Ответы занесите в таблицу.

12. Перед судебно-медицинской экспертизой поставлена задача выяснить: является ли мальчик, имеющийся в семье супругов Р 1 , родным или приемным. Исследование крови мужа, жены и ребенка показало: жена -IV группа крови, муж - I, ребенок - I группа крови. Проанализируйте данные и ответьте на вопросы.

1. Какое заключение должен дать эксперт?
2. Какая группа крови может быть у ребенка данных родителей?

3. Объясните решение эксперта.

13. Какое число аминокислот в белке, если его кодирующий ген состоит из 600 нуклеотидов? В ответ запишите ТОЛЬКО соответствующее число.

14.1. Рассмотрите рисунок части растения, какая структура изображена на рисунке. Как она называется?

14.2. Какую функцию выполняет данная структура?

15. Генетический код - способ кодирования последовательности аминокислот в составе белков при помощи последовательности нуклеотидов в составе нуклеиновой кислоты у всех живых организмов.

Изучите таблицу генетического кода, в которой продемонстрировано соответствие аминокислотных остатков составу кодонов.

На примере аминокислоты глутамин (ГЛН) поясните, какими триплетами может быть закодирована данная аминокислота на информационной РНК (иРНК), укажите все возможные комбинации триплетов. Поясните такое свойство генетического кода, как вырожденность, или избыточность.

16. На рисунке изображен белемнит – вымершее животное, обитавшее 440-410 млн лет назад.

Используя фрагмент геохронологической таблицы, установите эру и период, в который обитал данный организм, а также «близких родственников» данного животного в современной фауне (ответ – на уровне рода)

Геохронологическая таблица

ОТВЕТЫ:

213; Теплопродукция (выделение тепла клетками организма) пропорциональна объему тела. Теплоотдача (потеря тепла, его передача в окружающую среду) пропорциональна площади поверхности тела. С увеличением объема площадь поверхности растет относительно медленно, что позволяет увеличить «отношение теплопродукция / теплоотдача» и таким образом компенсировать потери тепла с поверхности тела в холодном климате.

1. перегной→дождевой червь→землеройка→уж→сокол; 2. 20

Повышается

А - 2, Б - 4, В - 3, Г - 5, Д - 6, Е - 1.

1. Нет; 2. Белок - это основной строительный материал для тела, а при вегетарианстве может не хватать белков в пище.

Эктодерма - 15, энтодерма - 3, мезодерма - 24.

При­знак ре­цес­сив­ный, т.к. наблюдается “проскок” через поколение.

Ге­но­ти­пы ро­ди­те­лей: мать - аа, отец - АА или Аа;

Ге­но­ти­пы детей: сын и дочь ге­те­ро­зи­го­ты - Аа

2. Неполное доминирование

Мать - aa, отец - Aa, вероятность - 50.

1. Воспользуемся таблицей. Находим столбец с группой крови отца II (A), ищем строку – 2 группу крови у матери. На пересечении находим группу крови возможных детей – два ответа II (A) и I (0) .

3. При переливании больших количеств крови следует использовать только одногруппную кровь. С кровью донора в кровь детям поступает большое количество агглютининов, которые могут вызвать гемолиз собственных эритроцитов реципиента.В результате склеивания эритроцитов антигена А (отца) и антител плазмы α (у детей), дети могут погибнуть.

1. Побег, ИЛИ стебель с листьями и почками;

2. На рисунке изображены хромосомы. Плотные продолговатые или нитевидные образования, которые можно рассмотреть только при делении клетки. Содержат ДНК – носитель наследственной информации, которая передается от поколения к поколению.

Функция хромосом – хранение наследственной информации, ИЛИ регуляция всех процессов жизнедеятельности.

1) кодирование аминокислоты глутамин (ГЛН) может произойти с помощью одного из следующих триплетов: ЦАА, ЦАГ;

2) вырожденность, или избыточность,- одну аминокислоту может кодировать несколько триплетов.

В силурийском периоде (440-410 миллионов лет назад) в морях впервые появляются крупные животные, до этого их размеры не превышали нескольких сантиметров. Крупнейшими морскими животными силура были головоногие моллюски с наружной раковиной размером в телеграфный столб, ее длина иногда достигала 4-5 метров.

Белемниты очень похожи на современных кальмаров и подобно им были хорошими пловцами. На голове у них располагались большие глаза и десять рук с присосками - две длинные и восемь более коротких. Как и некоторые кальмары, белемниты имели раковину внутри тела - эти раковины часто встречаются в мезозойских отложениях и называются «чертовыми пальцами». По форме и размерам они действительно похожи на остроконечные пальцы. Большинство ученых считают, что раковина была известковой, как раковины других моллюсков, но некоторые думают, что у живых белемнитов раковина была мягкой, хрящевой и окаменела после смерти. Аммониты и белемниты полностью вымерли в конце мезозойской эры.

ЭРА: Палеозой

Период: Силурский

Возможный «родственник»: кальмар

Правило Линдемана (10%)

Сквозной поток энергии, проходя через трофические уровни биоценоза, постепенно гасится. В 1942 г. Р. Линдеман сформулировал закон пирамиды энергий, или закон (правило) 10%, согласно которому с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой, более высокий ее уровень (по «лестнице»: продуцент - консумент - редуцент) в среднем около 10% поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды энергии. Обратный поток, связанный с потреблением веществ и продуцируемой верхним уровнем экологической пирамиды энергии более низкими ее уровнями, например, от животных к растениям, намного слабее - не более 0,5% (даже 0,25%) от общего ее потока, и потому говорить о круговороте энергии в биоценозе не приходится.

Если энергия при переходе на более высокий уровень экологической пирамиды десятикратно теряется, то накопление ряда веществ, в том числе токсичных и радиоактивных, в примерно такой же пропорции увеличивается. Этот факт фиксирован в правиле биологического усиления. Оно справедливо для всех ценозов. В водных биоценозах накопление многих токсичных веществ, в том числе хлорорганических пестицидов, коррелирует с массой жиров (липидов), т.е. явно имеет энергетическую подоснову.

Экологические пирамиды

Для наглядности представления взаимоотношений между организмами различных видов в биоценозе принято использовать экологические пирамиды, различая пирамиды численности, биомасс и энергии.

Среди экологических пирамид наиболее известными и часто используемыми являются:

§ Пирамида численности

§ Пирамида биомасс

Пирамида численности. Для построения пирамиды численности подсчитывают число организмов на некоторой территории, группируя их по трофическим уровням:

§ продуценты - зеленые растения;

§ первичные консументы - травоядные животные;

§ вторичные консументы - плотоядные животные;

§ третичные консументы - плотоядные животные;

§ га-е консументы («конечные хищники») - плотоядные животные;

§ редуценты - деструкторы.

Каждый уровень изображается условно в виде прямоугольника, длина или площадь которого соответствуют численному значению количества особей. Расположив эти прямоугольники в соподчиненной последовательности, получают экологическую пирамиду численности (рис. 3), основной принцип построения которой впервые сформулировал американский эколог Ч. Элтон Николайкин Н. И. Экология: Учеб. для вузов / Н. И. Николайкин, Н. Е. Николайкина, О. П. Мелехова. - 3-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2004..

Рис. 3. Экологическая пирамида численности для луга, поросшего злаками: цифры - число особей

Данные для пирамид численности получают достаточно легко путем прямого сбора образцов, однако существуют и некоторые трудности:

§ продуценты сильно различаются по размерам, хотя один экземпляр злака или водоросли имеет одинаковый статус с одним деревом. Это порой нарушает правильную пирамидальную форму, иногда давая даже перевернутые пирамиды (рис. 4) Там же.;

Рис.

§ диапазон численности различных видов настолько широк, что при графическом изображении затрудняет соблюдение масштаба, однако в таких случаях можно использовать логарифмическую шкалу.

Пирамида биомасс. Экологическую пирамиду биомасс строят аналогично пирамиде численности. Ее основное значение состоит в том, чтобы показывать количество живого вещества (биомассу - суммарную массу организмов) на каждом трофическом уровне. Это позволяет избежать неудобств, характерных для пирамид численности. В этом случае размер прямоугольников пропорционален массе живого вещества соответствующего уровня, отнесенной к единице площади или объема (рис. 5, а, б) Николайкин Н. И. Экология: Учеб. для вузов / Н. И. Николайкин, Н. Е. Николайкина, О. П. Мелехова. - 3-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2004.. Термин «пирамида биомасс» возник в связи с тем, что в абсолютном большинстве случаев масса первичных консументов, живущих за счет продуцентов, значительно меньше массы этих продуцентов, а масса вторичных консументов значительно меньше массы первичных консументов. Биомассу деструкторов принято показывать отдельно.

Рис. 5. Пирамиды биомасс биоценозов кораллового рифа (а) и пролива Ла-Манш (б): цифры - биомасса в граммах сухого вещества, приходящегося на 1 м 2

При отборе образцов определяют биомассу на корню или урожай на корню (т.е. в данный момент времени), которая не содержит никакой информации о скорости образования или потребления биомассы.

Скорость создания органического вещества не определяет его суммарные запасы, т.е. общую биомассу всех организмов каждого трофического уровня. Поэтому при дальнейшем анализе могут возникнуть ошибки, если не учитывать следующее:

* во-первых, при равенстве скорости потребления биомассы (потеря из-за поедания) и скорости ее образования урожай на корню не свидетельствует о продуктивности, т.е. о количестве энергии и вещества, переходящих с одного трофического уровня на другой, более высокий, за некоторый период времени (например, за год). Так, на плодородном, интенсивно используемом пастбище урожай трав на корню может быть ниже, а продуктивность выше, чем на менее плодородном, но мало используемом для выпаса;

* во-вторых, продуцентам небольших размеров, например водорослям, свойственна высокая скорость роста и размножения, уравновешиваемая интенсивным потреблением их в пищу другими организмами и естественной гибелью. Поэтому продуктивность их может быть не меньше чем у крупных продуцентов (например, деревьев), хотя на корню биомасса может быть мала. Иными словами, фитопланктон с такой же продуктивностью, как у дерева, будет иметь намного меньшую биомассу, хотя мог бы поддерживать жизнь животных такой же массы.

Одним из следствий описанного являются «перевернутые пирамиды» (рис. 3, б). Зоопланктон биоценозов озер и морей чаще всего обладает большей биомассой, чем его пища - фитопланктон, однако скорость размножения зеленых водорослей настолько велика, что в течение суток они восстанавливают всю съеденную зоопланктоном биомассу. Тем не менее в определенные периоды года (во время весеннего цветения) наблюдают обычное соотношение их биомасс (рис. 6) Николайкин Н. И. Экология: Учеб. для вузов / Н. И. Николайкин, Н. Е. Николайкина, О. П. Мелехова. - 3-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2004..

Рис. 6. Сезонные изменения в пирамидах биомассы озера (на примере одного из озер Италии): цифры - биомасса в граммах сухого вещества, приходящегося на 1 м 3

Кажущихся аномалий лишены пирамиды энергий, рассматриваемые далее.

Пирамида энергий. Самым фундаментальным способом отражения связей между организмами разных трофических уровней и функциональной организации биоценозов является пирамида энергий, в которой размер прямоугольников пропорционален энергетическому эквиваленту в единицу времени, т.е. количеству энергии (на единицу площади или объема), прошедшей через определенный трофический уровень за принятый период (рис. 7) Там же.. К основанию пирамиды энергии можно обоснованно добавить снизу еще один прямоугольник, отражающий поступление энергии Солнца.

Пирамида энергий отражает динамику прохождения массы пищи через пищевую (трофическую) цепь, что принципиально отличает ее от пирамид численности и биомасс, отражающих статику системы (количество организмов в данный момент). На форму этой пирамиды не влияют изменения размеров и интенсивности метаболизма особей. Если учтены все источники энергии, то пирамида всегда будет иметь типичный вид (в виде пирамиды вершиной вверх), согласно второму закону термодинамики.

Рис. 7. Пирамида энергии: цифры - количество энергии, кДж * м -2 *r -1

Пирамиды энергий позволяют не только сравнивать различные биоценозы, но и выявлять относительную значимость популяций в пределах одного сообщества. Они являются наиболее полезными из трех типов экологических пирамид, однако получить данные для их построения труднее всего.

Одним из наиболее удачных и наглядных примеров классических экологических пирамид служат пирамиды, изображенные на рис. 8 Николайкин Н. И. Экология: Учеб. для вузов / Н. И. Николайкин, Н. Е. Николайкина, О. П. Мелехова. - 3-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2004.. Они иллюстрируют условный биоценоз, предложенный американским экологом Ю. Одумом. «Биоценоз» состоит из мальчика, питающегося только телятиной, и телят, которые едят исключительно люцерну.

Рис.

Правило 1% Экология. Курс лекций. Составил: к.т.н., доцент Тихонов А.И., 2002.. Точки Пастера, как и закон пирамиды энергий Р. Линдемана, дали повод для формулировки правил одного и десяти процентов. Конечно, 1 и 10 - числа приближенные: около 1 и примерно 10.

«Магическое число» 1% возникает из соотношения возможностей потребления энергии и «мощностей», необходимых для стабилизации среды. Для биосферы доля возможного потребления общей первичной продукции не превышает 1% (что следует и из закона Р. Линдемана: около 1% чистой первичной продукции в энергетическом выражении потребляют позвоночные животные как консументы высших порядков, около 10% - беспозвоночные как консументы низших порядков и оставшуюся часть - бактерии и грибы-сапрофаги). Как только человечество на грани прошлого и нашего веков стало использовать большее количество продукции биосферы (сейчас не менее 10%), так перестал удовлетворяться принцип Ле Шателье - Брауна (видимо, примерно с величины 0,5% от общей энергетики биосферы): растительность не давала прироста биомассы в соответствии с увеличением концентрации СО 2 и т.д. (прирост количества связанного растениями углерода наблюдался лишь в прошлом веке).

Эмпирически порог потребления 5 - 10% от суммы вещества, приводящий с переходом через него к заметным изменениям в системах природы, достаточно признан. Принят он главным образом на эмпирико-интуитивном уровне, без различения форм и характера управления в этих системах. Ориентировочно можно разделить намечающиеся переходы для природных систем с организменным и консорционным типом управления с одной стороны, и популяционных систем с другой. Для первых интересующие нас величины - порог выхода из стационарного состояния до 1% от потока энергии («нормы» потребления) и порог саморазрушения - около 10% от этой «нормы». Для популяционных систем превышение в среднем 10% объема изъятия приводит к выходу этих систем из стационарного состояния.

В соответствии с законом пирамиды энергий, с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой ее уровень в среднем не более 10% энергии - этоправило десяти процентов. Закон пирамиды энер­гий позволяет делать расчеты необходимой земельной площади для обес­печения населения продовольствием и другие эколого-экономические подсчеты. Среднемаксимальный переход энергии (или вещества в энер­гетическом выражении) с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой, составляя 10%, может колебаться в пределах 7-17%. Превышение этой величины недопустимо, иначе могут произойти пол­ные исчезновения популяций.

Правило одного процента - изменение энергетики природной системы в пределах одного процента выводит природную систему из равновесного (квазистационарного) состояния. Эмпирически это правило подтверждает­ся исследованиями климата и других природных процессов.

Все крупномасштабные явления на поверхности Земли (мощные ци­клоны, извержения вулканов, процесс глобального фотосинтеза), как правило, имеют суммарную энергию, не превышающую 1% от энергии солнечного излучения, падающего на поверхность нашей планеты. Пере­ход энергетики процесса за это значение обычно приводит к существен­ным аномалиям - резким климатическим отклонениям, переменам в ха­рактере растительности, крупным лесным и степным пожарам.

Как и в случае правила десяти процентов, многое зависит от состоя­ния природной системы, в которой происходят изменения. Это делает данное правило вероятным, дает лишь ориентиры, которым целесообраз­но следовать или учитывать возможную с большой вероятностью цепь событий, связанных с выходом системы из равновесного (квазистацио­нарного) состояния.

Особое значение правило данного процента имеет для глобальных сис­тем . Их энергетика, как предполагают, принципиально не может пре­взойти уровень примерно 0,2% от поступающей солнечной радиации (уровень энергетики фотосинтеза) без катастрофических последствий. Вероятно, это непреодолимый и недопустимый для человечества порог (из него следует и "ядерная зима").

Рис. 2. Тепловая энергия, теряющаяся при дыхании

Трофические цепи, которые начинаются с фотосинтезирующих организ­мов, называютцепями выедания (пастбищными, цепями потребления).

Цепи, которые начинаются с отмерших остатков растений, трупов и экс­крементов животных - детритные цепи разложения.

Трофические цепи не изолированы друг от друга; тесно переплетаясь, они образуют трофические сети . Благодаря трофическим связям в экоси­стеме происходит трансформация биогенных веществ и аккумуляция энергии с последующим распределением их между видами и популяциями. Чем богаче видовой состав, тем разнообразнее направление и скорость потоков энергии в экосистеме.

Трофические цепи питания основываются на:

- втором законе термодинамики, согласно которому некоторая часть энергии рассеивается и становится недоступной для использования в виде тепловой энергии;

В экосистемах разных типов мощность потоков энергии через цепи вы­едания и разложения различна:

В водных сообществах часть энергии, фиксированной одноклеточными водорослями, поступает к питающимся фитопланктоном животным, да­лее к хищникам и уже меньшая часть включается в цепи разложения;

В большей части экосистем суши наблюдается обратное соотношение. Так, в лесах более 90% ежегодного прироста растительной массы поступает через опад в детритные цепи.

Число звеньев в цепи питания может быть различным, но в основном их обычно бывает от 3 до 5.

Совокупность организмов, объединенных определенным типом питания, носит название"трофический уровень". Различают:

Первый уровень, который занимают автотрофы (продуценты);

Второй - растительноядные животные (консументы первого порядка);

Трофических уровней может быть и больше, когда учитываются пара­зиты, живущие на консументах предыдущих уровней.

Примером цепи питания может служить цепь питания биологического биоценоза.

Например, начинается цепь с улавливания солнечной энергии: цветком. Бабочка, питающаяся нектаром цветка, представляет собой второе звено в этой цепи. Стрекоза нападает на бабочку. А спрятавшаяся лягушка ловит стрекозу, но сама является добы­чей для ужа, который в свою очередь будет съеден ястребом. Цепь питания замкнулась. Потенциальным (но не обязательным) заключительным звеном пищевой цепи является человек.

Все рассмотренные выше процессы связаны с синтезом и трансфор­мацией органического вещества в трофических сетях и характеризуют "пастбищные цепи".

"Детритные цепи" начинаются с разложения мертвой органики особыми группами консументов - сапрофагами . Сапрофаги механически, а отчасти и химически, разрушают мертвое органическое вещество, подготавливая его к воздействию редуцентов. В наземных экосистемах этот процесс (по большей части) проходит в подстилке и в почве. Активное участие в раз­ложении мертвого органического вещества принимают почвенные беспо­звоночные животные (членистоногие, черви) и микроорганизмы. Процесс деструкции идет последовательно, сапрофаги меняют друг друга в соот­ветствии со спецификой видового питания. Механическое разрушение производят крупные сапрофаги (например, насекомые), а процесс мине­рализации осуществляют уже другие организмы (прежде всего бактерии и грибы).

Поскольку сообщества сапрофагов отличаются относительно слабой жесткостью организации, то в детритных цепях идут стохастические про­цессы формирования сапрофагов, отдельные их виды легко заменяются другими видами, велика роль внешних факторов среды обитания и кон­курентного исключения (Н.М. Чернова, Н.А. Кузнецова, 1986). То есть с уровня консументов поток органического вещества идет по разным груп­пам потребителей: живое органическое вещество идет по "пастбищным цепям", а мертвое - по "детритным цепям".

Продуктивность экосистемы

Зависимость между продуктивностью и климатическими характеристика­ми. Все организмы нуждаются для построения своих тел в веществе, а для поддержания своей жизнедеятельности - в энергии. Солнечный свет, двуокись углерода, вода и минеральные соли - это ресурсы, необходимые для создания первичной продукции. На скорость фотосинтеза оказывает существенное влияние и температура. Качество и количество света, наличие воды и биогенных элементов, а также температура - весьма изменчивые факторы, которые способны лимитировать первичную продукцию.

На каждый квадратный метр земной поверхности ежеминутно попа­дает от 0 до 5 Дж солнечной энергии . По спектральному составу только около 44% падающего коротковолнового света пригодно для синтеза, а значительная доля солнечной энергии растениям недоступна. Наиболее высокой эффективностью использования солнечной энергии обладают хвойные леса: 1-3% физиологически активной "радиации (ФАР) они превращают в биомассу. Листопадные леса превращают в биомассу только 0,5-1% ФАР, а пустыни еще меньше - 0,01-0,02%. Максимальная эффективность фотосинтеза зерновых культур при идеальных условиях не превышает 3-10%.

Использование доступного для растения света немного улучшается при хорошей обеспеченности и другими ресурсами.

Вода - незаменимый ресурс и как составная часть клетки, и как уча­стник фотосинтеза. Потому продуктивность всегда тесно связана с коли­чеством выпадающих осадков.

температура среды. Эта зависимость носит сложный характер.

Продукция наземного сообщества зависит и от содержания в почве не­обходимых для растений различных микроэлементов . Особенно большое влияние оказывают соединения азота. Причем их происхождение должно быть биологическим, т. е. результатом фиксации азота микроорганизма­ми, а не геологическим.

На продуктивность существенное влияние оказывает и деятельность человека . По мере развития сельского хозяйства в направлении получе­ния максимума продукции воздействие на природу, обусловленное пере­распределением энергии и веществ на поверхности Земли, постоянно возрастает. Совершенствование орудий труда, внедрение высокоурожай­ных культур и сортов, требующих большого количества питательных ве­ществ, стали резко нарушать природные процессы.

Разрушительно действуют необоснованные земледельческие приемы и сис­темы земледелия, которые вызывают:

Эрозию почв и утрату плодородного слоя;

Засоление и заболачивание орошаемых массивов;

Снижение биологического разнообразия естественных ландшафтов;

Загрязнение поверхностных и подземных вод остатками пестицидов и нитратов;

Исчезновение диких животных в результате разрушения мест их оби­тания и многое другое.

Для регулирования и решения этих проблем предлагают научно обос­нованные приемы и способы, позволяющие в определенных случаях лишь частично предотвратить или снизить нежелательные эффекты, воз­никающие при получении первичной биологической продукции. В по­следние десятилетия все активнее вводятся экологические ограничения.

Существует объективный природный предел - порог снижения есте­ственного плодородия, при приближении к которому вся техническая мощь человека становится менее эффективной. Во второй половине XX в. произошло существенное увеличение первичной биологической продук­ции за счет внедрения новых высокоурожайных сортов зерновых культур, применения большого количества минеральных удобрений и использо­вания средств защиты растений. Однако этот показатель перестал расти, что явилось отражением действия закона снижения энергетической эф­фективности природопользования .

Но численность человечества продолжает расти, а плодородной земли больше не становится. Поэтому увеличение КПД зеленых растений является наиболее насущной проблемой при решении первейших задач жизнеобеспе­чения человека. В табл. 4 проведен один из вариантов расчета первичной продукции земного шара по итогам исследований П. Дювиньо.

Из данных табл. 4 видно, что экосистема океана дает половину всей продукции планеты, леса - третью часть, а пашни (вместе со степями) - около одной десятой.

При подсчете вторичной продукции экосистем производят вычисле­ния отдельно для каждого трофического уровня, потому что при движе­нии энергии от одного трофического уровня к другому она прирастает за счет поступления с предыдущего уровня. При изучении общей продук­тивности экосистемы следует помнить, что прирост вторичной продук­ции всегда происходит не параллельно росту первичной, а за счет унич­тожения какой-то ее части. То есть происходит как бы изъятие, вычита­ние вторичной продукции из общего количества первичной. Поэтому оценку продуктивности экосистем всегда проводят по первичной про­дукции. В целом вторичная продуктивность колеблется в пределах от 1 до 10%, а это в свою очередь зависит от свойств животных и особенно­стей поедаемого или корма.

Похожая информация.