КРУГООБІГ РЕЧОВИН І ПОТІК ЕНЕРГІЇ В ЕКОСИСТЕМАХ. ПРОДУКТИВНІСТЬ ЕКОСИСТЕМ

Тема. ПОПУЛЯЦІЯ, ЕКОСИСТЕМА, БІОСФЕРА

УРОК 32. КРУГООБІГ РЕЧОВИН І ПОТІК ЕНЕРГІЇ В ЕКОСИСТЕМАХ. ПРОДУКТИВНІСТЬ ЕКОСИСТЕМ

Цілі уроку: розглянути особливості кругообігу ре­човин і потоку енергії в екосистемах та вплив людської діяльності на ці про­цеси, порівняти продуктивність різних екосистем; розвивати навички аналізу й синтезу інформації; виховувати розу­міння єдності всього живого на нашій планеті.

Обладнання й матеріали: таблиці або слайди презентації зі схемами кругообігу різних елементів у екосисте­мах, таблиці

з даними щодо продуктив­ності різних екосистем, фотографії або рисунки різних екосистем.

Базові поняття й терміни: кругообіг Карбону, кругообіг Оксигену, кругообіг Нітрогену, екосистема, про­дуктивність, видовий склад, природні умови, сонячна радіація.

ХІД УРОКУ

I. Організаційний етап

II. Актуалізація опорних знань і мотивація навчальної діяльності учнів

Питання для бесіди

1. Які типи взаємодії живих організмів у екосистемах вам ві­домі?

2. Які приклади взаємодії організмів у екосистемі можна назва­ти хижацтвом?

3. Які приклади взаємодії організмів у екосистемі можна назва­ти

паразитизмом?

4. Чим мутуалізм відрізняється від коменсалізму?

III. Вивчення нового матеріалу

Розповідь учителя з елементами бесіди

Кругообіг речовин

Біологічний кругообіг – це багаторазова участь хімічних еле­ментів у процесах, які відбуваються в біосфері. Причина кругообі­гу – обмеженість елементів, з яких будується тіло організмів.

У біосфері відбувається постійний кругообіг елементів, які переходять від організму до організму, у неживу природу і знову до організму. Елементи, які вивільняються мікроорганізмами під час гниття, надходять у грунт і атмосферу, знову включаються в кругообіг речовин біосфери, поглинаючись живими організма­ми. Весь цей процес і буде біогенною міграцією атомів. Для біо­генної міграції характерним є накопичення хімічних елементів у живих організмах, а також їх вивільнення в результаті розкла­ду мертвих організмів. Біогенна міграція викликається трьома процесами:

– обміном речовин в організмах;

– ростом;

– розмноженням.

Визначення біогенної міграції хімічних елементів, яка викли­кана силами життя, дав В. І. Вернадський (Закон біогенної міграції атомів). Біогенна міграція є частиною загальної міграції хімічних елементів біосфери. Головною геохімічною особливістю живої ре­човини є те, що вона, пропускаючи через себе атоми хімічних еле­ментів земної кори, гідросфери й атмосфери, здійснює у процесі життєдіяльності їх закономірну диференціацію.

З екологічної точки зору, найважливішими є кругообіги речо­вин, які є основними компонентами живої речовини:

– кругообіг Оксигену;

– кругообіг Карбону;

– кругообіг Нітрогену;

– кругообіг Сульфуру;

– кругообіг Фосфору;

– кругообіг води.

Кругообіг Оксисену

Оксиген поширений у живих організмах у складі хімічних сполук, а в атмосфері він представлений двома простими речови­нами – киснем O2 і озоном O3. Кисень потрапляє в атмосферу вна­слідок фотосинтезу, коли виділяється як побічний продукт фото­хімічної реакції. Озон утворюється у верхніх шарах атмосфери внаслідок поглинання киснем ультрафіолетового випромінювання Сонця. Живі організми використовують кисень у процесі дихання для окиснення органічних сполук до карбон(ІУ) оксиду й води, які потім знову можуть використовуватися у процесі фотосинтезу.

Кругообіг Карбону

Природні сполуки, до складу яких входить Карбон, постійно зазна­ють змін, унаслідок яких здійснюється кругообіг Карбону. Важлива роль у кругообігу Карбону належить карбон(IV) оксиду, який входить до складу атмосфери. Цей газ надходить в атмосферу внаслідок бага­тьох процесів – виверження вулканів, горіння палива, розкладан­ня вапняку, дихання живих організмів, процесів бродіння і гниття.

З повітря СO2 у значних кількостях поглинається наземними рослинами та фітопланктоном Світового океану. Процес поглинан­ня СO2 відбувається тільки на світлі – фотосинтез, унаслідок якого утворюються органічні сполуки, що містять Карбон.

Із рослин, які поїдаються тваринами, Карбон переходить у тва­ринні організми. Тварини виділяють Карбон у вигляді вуглекис­лого газу під час дихання. Рослини і тварини з часом відмирають, починають гнити, окислюватись і частково перетворюватися на СO2, що повертається у повітря й знову поглинається рослинами. А частково рослинні та тваринні рештки у грунті перетворюють­ся на горючі копалини – кам’яне вугілля, нафту, природний газ. Горючі копалини використовують як паливо, внаслідок згоряння якого СO2 знову повертається в атмосферу.

Кругообіг Нітрогену

У природі Нітроген трапляється як у вільному стані, так і у зв’язаному. У вільному стані Нітроген у вигляді азоту входить до складу повітря (об’ємна частка N2 становить 78 %, масова – 75,6 %). Оскільки азоту з повітря витрачається мало, його запаси в атмосфері залишаються сталими. У складі неорганічних сполук Нітроген у невеликих кількостях є в грунті. Проте у складних ор­ганічних сполуках – білках – він входить до складу всіх живих організмів, беручи участь у їх життєдіяльності.

Безпосередньо з повітря Нітроген у вигляді азоту засвоюють лише деякі бактерії, а всі інші організми здатні засвоювати Ні­троген тільки у складі сполук. Рослини засвоюють Нітроген неор­ганічних сполук, як і у грунті, у вигляді іонів NH4 i NO3. У рос­линах здійснюється синтез білків. Рослини частково поїдаються травоїдними тваринами, і білкові речовини потрапляють до орга­нізму тварин. Під час гниття залишків рослин і тварин під впли­вом спеціальних бактерій відбуваються складні біохімічні проце­си, внаслідок яких органічні сполуки, що містять Нітроген, пере­творюються на неорганічні сполуки Нітрогену, які повертаються в грунт.

Потік енергії в екосистемах, продуктивність екосистем

У біогеоценозі енергія накопичується у вигляді хімічних зв’язків органічних сполук, синтезованих продуцентами з неорга­нічних речовин. Далі вона проходить через організми консументів і редуцентів, але при цьому на кожному з трофічних рівнів частко­во розсіюється у вигляді тепла.

Харчовий (трофічний) ланцюг – взаємини між організмами під час перенесення енергії їжі від її джерела (зеленої рослини) через низку організмів, що відбувається шляхом поїдання одних організмів іншими з більш високих трофічних рівнів. У ланцюзі харчування кожен вид займає певну ланку. Зв’язки між видами в харчовому ланцюзі називаються трофічними.

Під час перенесення енергії від ланки до ланки харчового лан­цюга переважна її частина (80-90 %) губиться під час виділення теплоти.

Кожен ланцюг живлення складається з певної кількості ви­дів, тобто окремих ланок. При цьому кожен з цих видів займатиме в ланцюзі живлення певне положення, або трофічний рівень. На початку ланцюгів живлення, як правило, перебувають продуцен­ти, тобто автотрофні організми. А трофічний рівень консументів (гетеротрофних організмів) визначають тією кількістю ланок, че­рез яку вони дістають енергію від продуцентів.

Так, рослиноїдні тварини займають трофічний рівень, наступ­ний за продуцентами. Тому їх називають консументами І порядку.

Далі йде рівень хижаків, які живляться рослиноїдними видами (консументи II порядку) тощо. Якщо консументи споживають різ­ні види їжі, то в різних ланцюгах живлення вони можуть займати різні трофічні рівні.

Частина біомаси відмерлих продуцентів (наприклад, листяний опад), яка до цього не була спожита консументами, а також рештки чи продукти життєдіяльності самих консументів (наприклад, тру­пи, екскременти тварин), є кормовою базою редуцентів. Редуценти дістають необхідну їм енергію, розкладаючи органічні сполуки до неорганічних.

Наприкінці ланцюга живлення енергія, яка зберігається в мерт­вій органіці, остаточно розсіюється у вигляді тепла під час руйну­вання її редуцентами.

Енергія в біогеоценозах ніби поділяється на два потоки: один починається з живих організмів – продуцентів, другий – від мерт­вої органіки. Унаслідок цього в біогеоценозах формуються два типи ланцюгів живлення: пасовищного (ланцюги виїдання) і детритного (детрит (від лат. детритус – подрібнений) – подрібнені рештки організмів) (ланцюги розкладання).

Ланцюги живлення пасовищного типу починаються з проду­центів і включають послідовно ланки консументів I, II та інших порядків і завершуються редуцентами. Ланцюги живлення де­тритного типу починаються зі споживачів мертвої органіки, далі ведуть до видів, які ними живляться, і завершуються також реду­центами.

У будь-якому біогеоценозі різні ланцюги живлення не існу­ють окремо один від одного, а переплітаються між собою. Це від­бувається тому, що організми певного виду можуть бути ланка­ми різних ланцюгів живлення. Наприклад, особини одного виду птахів можуть споживати як рослиноїдні (консументи II поряд­ку), так і хижі види комах (консументи III порядку) тощо. Пере­плітаючись, різні ланцюги живлення формують трофічну сітку біогеоценозу.

Різні біогеоценози відрізняються за своєю продуктивністю. Ви вже знаєте, що є різні ланцюги живлення. Але всім їм властиві пев­ні співвідношення продукції (тобто біомаси з енергією, що витра­чаються й запасаються на кожному з трофічних рівнів). Ці законо­мірності дістали назву правила екологічної піраміди: на кожному попередньому трофічному рівні кількість біомаси й енергії, які за­пасаються організмами за одиницю часу, значно більші, ніж на на­ступному (у середньому в 5-10 разів).

Графічно це правило можна зобразити у вигляді піраміди, складеної з окремих блоків. Кожен блок такої піраміди відповідає продуктивності організмів на кожному з трофічних рівнів певного ланцюга живлення. Отже, екологічна піраміда є графічним зобра­женням трофічної структури ланцюга живлення.

IV. Практична робота

Тема. Розв’язання задач з екології

Мета: закріпити в учнів навички розв’язання типових задач з екології.

Обладнання й матеріали: таблиці із зображенням харчових пі­рамід і ланцюгів живлення, роздавальні картки із задачами, під­ручник, робочий зошит.

Хід роботи

Розв’яжіть наведені на роздавальній картці задачі з екології. Розв’язання запишіть у зошиті.

Картка 1 (звичайної складності)

Задача 1. На одному дереві в лісі за сезон утворюється 10 кг су­хої маси листя, яку поїдає гусінь. Цю гусінь поїдають комахоїдні птахи. Середня маса комахоїдної птахи – 200 г. Вміст води в її ор­ганізмі – 75 %. Скільки дерев треба для того, щоби протягом се­зону могла прогодуватися зграя таких пташок, до складу якої вхо­дить 10 особин, за умови, що на наступний трофічний рівень у еко­системі переходить 10 % речовини?

Задача 2. Суха маса тіла вусатого кита становить 20 т. Він жи­виться крилем, який, у свою чергу, поїдає фітопланктон. На 1 м2 поверхні моря за рік утворюється 10 г сухої маси фітопланктону, яка споживається крилем. Яка площа моря потрібна для того, щоби прогодувати цього кита, за умови, що на наступний трофіч­ний рівень у екосистемі переходить 10 % речовини?

Картка 2 (підвищеної складності) (пропонується учням за бажанням)

Задача. У місті Харкові було проведено дослідження впливу ав­тотранспортного забруднення на взаємодію дерев і листогризучих комах. Для цього визначався відсоток пошкоджених комахами листків дерев на відстані 25, 50, 75 і 100 метрів від автомагістра­лі з великою інтенсивністю руху. По кілька дослідних ділянок для кожної з дистанцій було розміщено в трьох парках – ім. Артема, ім. Горького та ім. Маяковського. Середні значення одержаних для кожного з парків результатів наведено в таблиці.

Кількість уражених листогризучими комахами листків, %

Парк	Дистанція від автомагістралі, м
25	50	75	100
Ім. Артема	43	30	21	12
Ім. Горького	45	32	19	18
Ім. Маяковського	47	28	20	15

Завдання 1. Визначте середню кількість пошкоджених листків парків міста Харкова в цілому для всіх чотирьох дистанцій.

Завдання 2. Використовуючи цифри із завдання 1, побудуйте графік залежності кількості пошкоджених листків парків міста Харкова від дистанції до автомагістралі.

Завдання 3. Використовуючи цифри із завдання 1, оберіть ту із запропонованих гіпотез, яку ви вважаєте правильною.

A. Автотранспортне забруднення більш негативно впливає на листогризучих комах.

Б. Автотранспортне забруднення більш негативно впливає на де­рева.

B. Автотранспортне забруднення однаково впливає і на листогризучих комах, і на дерева.

Завдання 4. Коротко (не більше трьох-чотирьох речень) пояс­ніть, чому обрану вами в завданні 3 гіпотезу ви вважаєте пра­вильною.

V. Домашнє завдання