Лабораторная работа № 2.
Изучение структуры и энергетики экосистем
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить структуру экосистемы и компоненты биоценоза, познакомиться с особенностями передачи вещества и энергии в экосистемах между трофическими уровнями.
Освоить методику определения типа распределения особей в пространстве экосистемы.
Задание к работе 
:
К работе допущен:
Работу выполнил:
Работу защитил:
Ковров. 2010г.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ
Совокупность популяций различных биологических видов, занимающих определенное пространство, формирует биоценоз. Этот термин впервые предложил Мебиус в 1877 г. Поскольку существование любого биоценоза самым непосредственным образом зависит от факторов неживой природы, компонентов среды - рельефа, почвы, водных объектов, климата ( составляющих битоп), то правильней говорить об экосистемах, в состав которых входят популяции.
Каждая популяция характеризуется определенным набором свойств и параметров. Одним из таких свойств является закономерность размещения особей внутри популяции (в целом, можно говорить и о закономерности распределения особей конкретного вида в рамках всего биоценоза). Выделяют три типа распределения особей в пространстве: равномерный (рис. 1 а), дисперсный или случайный (рис. 1 б) и мозаичный (рис. 1 в).
Рис.1.типы распределения особей в пространстве
При равномерном распределении, если проводить экспериментальные замеры (например, отлов животных), количество особей в каждой выборке (группе отловленных животных) будет в среднем равным. В этом случае (с определенными оговорками) можно говорить о случае S2/Ncp → 0, где S - математическая дисперсия, а Ncp - среднее арифметическое количество особей во всех выборках.
В случае S2/Ncp → 1 говорят о случайном распределении особей в популяции, а при условии S2/Ncp > l можно предполагать наличие мозаичного распределение.
Для каждого вида характерен определенный тип распределения, который способствует поддержанию гомеостаза (динамического равновесия) популяции.
По средним значениям количества особей, попавших в выборку можно по специальным методикам определить и примерную численность всей популяции. Зная эту величину и площадь (объем), которую занимает популяция, получают еще одну характеристику - плотность популяции.
Тип распределения и плотность популяции являются важными биологическими и хозяйственными (если речь идет об эксплутационных и экономических свойствах) критериями популяции.
Как уже отмечалось выше, популяции являются составными элементами природных сообществ (экосистем) - биологических систем более высоко уровня, чем популяции. В любом природном сообществе между ее компонентами - отдельными особями, видами, популяциями и т.д. - существует множество функциональных связей. Пищевые или трофические связи является наиболее важными, поскольку они определяют особенности передачи и перераспределение энергии в экосистеме.
Во всех экосистемах энергия передается через трофические сети, состоящие из множества трофических цепей. Организмы, объединенные одним способом получения энергии (питания) формируют трофический уровень (рис. 2).
Рис. 2 Схематическое изображение трофической сети экосистемы
В зависимости от принадлежности к тому или иному трофическому уровню организмы делятся на:
продуценты (производят первичную биологическую продукцию из простых неорганических соединений с помощью энергии света в процессе фотосинтеза или энергии химических связей в процессе хемосинтеза,
консументы (используют в качестве источника энергии первичную или вторичную биологическую продукцию) и
редуценты (преобразуют мертвое органическое вещество в простые неорганические соединения).
Типичными представителями продуцентов являются фотосинтезирующие (зеленые) растения. Консументы в зависимости от принадлежности к трофическому уровню делят на консументов 1-го порядка (например, травоядные животные), 2-го порядка (например, хищники), 3-го порядка (паразиты и сверхпаразиты). Часто по другой классификации количество порядков консументов соответствует количеству занимаемых ими трофических уровней, в этом случае в экосистеме могут присутствовать и консументы 4-го, 5-го и более высоких (очень редко) порядков.
Редуценты представлены преимущественно микроорганизмами (бактериями, грибами др.).
Для наглядности структуру экосистемы представляют не только в виде схемы трофической сети, но ив виде так называемых экологических пирамид. В этом случае, каждый трофический уровень изображается в соответствующем масштабе (в зависимости от количественных значений) в виде прямоугольника (рис. 3).
Рис. 3. Различные конфигурации экологических пирамид
Существует три типа экологических пирамид: пирамиды энергий (иллюстрирует средние значения энергии, поступающей на каждом трофический уровень), пирамида чисел (изображает численный состав каждого трофического уровня) и пирамида биомасс (представляет значения общей биомассы на каждом трофическом уровне). Два последних типа пирамид являются производными от первого.
Поскольку в любой экосистеме основной поток энергии направлен от нижележащих трофических уровней к вышележащим (обратный отток энергии крайне незначителен и не превышает, в лучшем случае, несколько процентов), пирамиды энергий всегда имеют "прямую" форму (рис. 3 а). Пирамиды чисел и биомасс могут иметь как «прямую»,так и «перевернутую» формы (рис. 3 б).
Передача энергии в экосистемах подчиняется правилу (закону) 10%, согласно которому в среднем на каждый вышележащий трофический уровень передается не более 10% энергии, сосредоточенной на нижележащем трофическом уровне (остальная энергия рассеивается в окружающей среде в виде тепловой энергии).
Знания о трофической структуре экосистемы, особенностях ее энергетики имеют важное прикладное значение, поскольку позволяют прогнозировать тенденции развития ситуаций, планировать необходимые биотехнические мероприятия, например, применительно к нуждам лесного и сельского хозяйств, решать задачи оптимизации получения наибольшей выгоды от эксплуатации экосистемы при условии ее сохранения.
ПРИБОРЫ, МАТЕРИАЛЫ
1. ПЭВМ (с операционной системой Windows 98, ME, NT, XP).
2. Компьютерная программа "Экологические пирамиды"
(разработка кафедры БЖД, Э и Х КГТА).
3. Бумага.
4. Карандаши, ручки.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Запустить программу "Пирамиды" (щелкнуть по файлу, имеющему расширение *.ехе в папке, с данным названием, или по ярлычку на рабочем столе "мышкой").
2. После запуска программы будет смоделирована одна из экосистем, для которой необходимо будут определить некоторые свойства и особенности. На появившемся поле изображаются популяции видов, входящих в экосистему. Популяции могут быть изображены либо в виде совокупностей отдельных особей (точками) или в виде определенного пространства, занятого конкретным видом.
3. Для каждого вида необходимо определить количество особей, входящих в популяцию. Для популяций, изображенных отдельными особями-точками, определение количества особей ведется путем подсчета их на всем поле (для этого удобно воспользоваться функцией меню " Показать/скрыть сетку " и подсчет вести по квадратам). Данные распределения количества видов по квадратам лучше записать, чтобы использовать в дальнейшем.
Если популяция изображена в виде определенной области в экосистеме (для видов, имеющих большую численность) количественной характеристикой популяции выступает значение ее плотности. Зная значение плотности и площадь, которую занимает популяция, рассчитывается общее количество особей, входящих в популяцию.
Для определения количества особей в популяциях можно воспользоваться функцией меню программы " Показать/скрыть виды ". Отмечая конкретный вид галочкой (в правой части окна программы), убирая галочки у других видов (для удобства подсчета), поочередно проводится определение количества особей.
Правильность определение особей в популяциях, изображенных отдельными точками-особями, осуществляется программой. Для этого необходимо в соответствующую строку рядом с названием вида ввести числовое значение (надпись над данным полем выделена красным цветом). В случае, если значение введено правильно, красная надпись исчезнет. В случае ошибки надпись сохраняется.
В ходе выполнения работы необходимо добиться получения правильно подсчитанных значений с тем, чтобы избежать ошибок на последующих этапах работы.
4. После завершения подсчета количества особей в популяциях необходимо осуществить их распределение по соответствующим экологическим группам. Одновременно определяется и средние значения массы одной особи.
Для выполнения этой части работы необходимо воспользоваться функцией меню программы " Справочник ", в котором содержатся все необходимые сведения. Данные заносятся в таблицу (см. пример оформления таблицы 1).
Таблица 1
| Экологический тип вида | Название вида | Систематическое положение | Количество особей в популяции | Средняя масса одной особи, кг | Масса всех особей вида, кг |
| Продуцент | А | Травянистое растение | 0,005 | 6.0 | |
| Б | Травянистое растение | 0,001 | |||
| В | Древовидное растение | 256.4 | … | ||
| Консумент 1 | С | Насекомое | 0,0006 | … | |
| … | … | … | … | … | … |
Поскольку многие виды в зависимости от условий могут относиться одновременно к разным экологическим типам, например, к консументам нескольких порядков, то при оформлении таблицы необходимо такой вид многократно относить к каждому экологическому типу (т.е. в таблице это вид приводить столько раз, сколько возможных экологических типов ему соответствуют).
5. На основании оформленной таблицы строятся пирамиды чисел, биомасс и энергий. Для этого необходимо воспользоваться функциями меню, расположенными в левом нижнем углу окна программы.
Активировав соответствующую вкладку (" Пирамида чисел ", " Пирамида биомасс " и т.д.), в соответствующие сроки для каждого экологического типа (трофического уровня) последовательно вводятся через знак "+" числовые значения. Для получения суммарного значения достаточно нажать на кнопку справа от строки (в виде панели калькулятора). \ Справа от этой кнопки будет выведено суммарное значение.
Рассчитав, таким образом, необходимые значения можно переходить к построению пирамид.