Сравнение природной и упрощенной антропогенной экосистем.

Лекция №

Тема: Взаимодействие энергии и материи в экосистеме. Эволюция развития экосистем. Естественные и антропогенные экосистемы. Проблемы рационального использования экосистем. Промышленные техносистемы. Биосфера и ноосфера.

Цель: сформировать понятие о взаимодействии энергии и материи в экосистеме, об естественных и антропогенных экосистемах, их структуре, свойствах;о развитии и смене экосистем, изучить структуру естественных сообществ живых организмов, рассмотреть факторы, влияющие на их существование и показатели, которые характеризуют сообщества, выявить особенности строения и функционирования экосистем различного происхождения в биосфере, сформировать понятие обиосфере и ноосфере.

Основные термины и понятия:биомасса. поток энергии ,продуценты, консументы. редуценты, автотрофы и гетеротрофы, цепь и сети питания, типы связей, экологическая пирамида, сукцессии, экосистема, сообщества, естественные и антропогенные экосистемы, техносистемы, промышленный симбиоз, биосфера и её оболочки, ноосфера.

Литература:

1.Экология. 10–11 классы: учеб. пособие для общеобразоват. организаций: базовый уровень / М. В. Аргунова, Д. В. Моргун, Т. А. Плюснина. – 2-е изд. – М.: Просвещение, 2018. – 143 с.

2.Экология. 10–11 классы: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / Н. М., Чернова, В. М. Галушин, В. М.: Константинов; под род. Н. М. Черновой. – 4-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2018. – 302 с

План лекции:

1. Эволюция развития экосистем. Экосистема, их структура и свойства.

2. Антропогенные экосистемы.

3. Биомасса. Круговорот веществ и поток энергии.

4. Экологическая пирамида биомассы.

5. Взаимосвязи между популяциями в экосистемах

6. Динамика и развитие экосистем. Сукцессии.

7. Рациональное использование экосистем.

8. Техносистемы промышленных предприятий.

9. Биосфера и ноосфера. Понятие ноосферы. Признаки

Содержание лекции:

1.Эволюция развития экосистем. Экосистемы, их структура и свойства.

Экосистема - совокупность организмов разных видов и среды их обитания, связанные обменом вещества, энергии и информации.

Признаки экосистемы:

- экосистема обязательно представляет собой совокупность живых и неживых компонентов;

- в рамках экосистемы осуществляется полный цикл круговорота веществ, начиная с создания органического вещества и заканчивая его разложением на неорганические составляющие;

- экосистема сохраняет устойчивость в течение определенного времени.

По степени антропогенного воздействия:

Природные (или естественные) – экосистемы, не нарушенные влиянием человека.

Антропогенные – системы, созданные человеком для извлечения выгоды. Делятся на техногенные и агроэкосистемы.

Домашний аквариум, озеро на окраине села, степная балка, лесной массив, кабина космического корабля, целая наша планета все это экосистемы единой биосферы. Понятие «экосистема» предложил в 1935 году А.Тесли. Функционирования экосистемы обеспечивает «внутренний» биологический кругооборот веществ между абиотическими и биотическими частями. Экосистемы являются открытыми биосистемами, и поэтому для существования во времени нужны «внешние» потоки энергии, вещества и информации в составе общего геологического круговорота.

Близкими к экосистемам является биогеоценозы.

Биогеоценоз - это определенная территория с однородными условиями существования, населенная взаимосвязанными популяциями разных видов, объединенных между собой круг воротом веществ и потоком энергии. Понятие о биогеоценозе введено В.М.Сукачовым (1940). Основой подавляющего большинства биогеоценозов являются фотосинтезирующие организмы, которые образуют растительные группировки. Биогеоценоз, в отличие от экосистемы, является конкретным, территориальным понятием, потому что он занимает ограниченный участок с однородными условиями существования и с соответствующим фитоценозом (растительным группировкам).

В экосистеме выделяют биотические и абиотические части.

Для поддержания круговорота веществ в экосистеме необходимо наличие трех групп организмов: продуцентов, консументов и редуцентов.

Основными свойствами экосистем являются: способность осуществлять круговорот веществ, противостояние внешним воздействиям, производство биологической продукции.

2.Антропогенные экосистемы.

Человек, в конкурентной борьбе за выживание в природной окружающей среде, начал строить свои искусственные антропогенные экосистемы.

Примерами таких экосистем могут быть космический корабль, город, поле, засеянное пшеницей, крупный промышленный комбинат, автомагистраль и т.п. Человек, пытаясь выжить в окружающем его мире, стал изменять природные экосистемы. Более 10 тыс. лет назад он перестал быть охотником и собирателем и начал производить необходимые для выживания продукты самостоятельно. Сначала человек начал заниматься сельским хозяйством: растениеводством и животноводством, затем, чтобы облегчить себе труд, стал создавать приспособления, машины и механизмы. Для их производства понадобилось развитие промышленности. Промышленная революция началась примерно 200 лет назад. Сейчас человек создал техносферу – искусственную среду обитания, в которой изменил природные экосистемы в технические объекты, в результате чего поставил под угрозу существование всей биосферы.

По степени вмешательства человека в природные экосистемы различают:

а) модифицированные (природная экосистема изменилась в результате косвенного влияния человеческой деятельности);

б) т рансформированные (целенаправленно измененные человеком);

в) искусственные (созданные человеком).

В зависимости от вида деятельности человека различают агроценозы (сельскохозяйственные экосистемы), урбанизированные (городские), индустриальные (измененные в результате деятельности крупных промышленных комплексов) и техногенные (преобразованные в результате действия крупной техники) экосистемы

Естественные экосистемы отличаются значительным видовым разнообразием, существуют длительное время, они способны к саморегуляции, обладают большой стабильностью, устойчивостью. Созданная в них биомасса и питательные вещества остаются и используются в пределах биоценозов, обогащая их ресурсы.

Искусственные экосистемы – агроценозы (поля пшеницы, картофеля, огороды, фермы с прилегающими пастбищами, рыбоводные пруды и др.) составляют небольшую часть поверхности суши, но дают около 90% пищевой энергии.

Развитие сельского хозяйства с древних времен сопровождалось полным уничтожением растительного покрова на значительных площадях для того, чтобы освободить место для небольшого количества отобранных человеком видов, наиболее пригодных для питания. Однако первоначально деятельность человека в сельскохозяйственном обществе вписывалась в биохимический круговорот и не изменяла притока энергии в биосфере. В современном сельскохозяйственном производстве резко возросло использование синтезированной энергии при механической обработке земли, использовании удобрений и пестицидов. Это нарушает общий энергетический баланс биосферы, что может привести к непредсказуемым последствиям

Сравнение природной и упрощенной антропогенной экосистем.

Если естественные экосистемы поглощают, преобразуют и накапливают солнечную энергию, то все антропогенные системы потребляют в той или иной мере энергию преимущественно ископаемого топлива. Все естественные системы оздоровляют биосферу, производя кислород, необходимый для всего живого, и поглощая диоксид углерода, замедляя тем самым наступление глобального потепления, а антропогенные системы, не связанные с выращиванием культурных растений, наоборот, производят диоксид углерода и поглощают кислород, особенно при сжигании разных видов топлива.

Плодородная почва формируется и восстанавливается в естественных экосистемах, а в антропогенных — преобразуется, разрушается и деградирует либо совсем уничтожается, например, при строительстве дорог, магистралей и домов.

Пресная вода накапливается, очищается, проходя медленный круговорот в естественных экосистемах, а в антропогенных системах, наоборот, она быстро потребляется и сильно загрязняется.

В естественных экосистемах формируются благоприятные условия обитания множества видов животных и растений, а в антропогенных — все меньше и меньше места остается для их обитания.

Антропогенные системы производят различные отходы и загрязняющие вещества, а естественные экосистемы, частично поглощая, превращают их в безопасные. Для переработки и захоронения отходов требуются огромные энергетические и природные ресурсы.

Свойства самосохранения и самовосстановления характерны для всех экосистем. Создание и поддержание функционирования всех антропогенных систем приводят к гигантским затратам природных и энергетических ресурсов и, следовательно, к истощению их запасов на нашей планете.

Сравнивая естественные и антропогенные системы, можно сделать важный вывод: чтобы сохранить устойчивое равновесие всех материальных систем, вне зависимости от природы их происхождения, человечество должно направить как можно быстрее все свои усилия не на завоевание природы, а на гармоничное сочетание с ней.

3.Биомасса. Круговорот веществ и поток энергии.

Биомасса (биоматерия) — совокупная масса растительных и животных организмов, присутствующих в биогеоценозе в момент наблюдения.

Все живые организмы экосистемы по способу получения энергии делятся на автотрофов и гетеротрофов.

Автотрофы способны образовывать органическое вещество, используя неорганический источник углерода и энергию света (фотоавтотрофы) или энергию окисления неорганических веществ (хемоавтотрофы).

Гетеротрофы используют энергию окисления органических веществ и используют органические источники углерода.

Для поддержания круговорота веществ в экосистеме необходимо наличие трех групп организмов: продуцентов, консументов и редуцентов.

Биотическая часть экосистемы является совокупностью взаимосвязанных живых организмов, образующих биоценоз. Биоценоз -это группировка взаимосвязанных между собой популяций организмов разных видов, населяющих участок местности с однородными условиями существования. Это понятие предложил немецкий гидробиолог К.Мьобиус. Основой биоценозов является фитоценоз (растительные группировки), с которыми связаны зооценозы (группировки животных) и микробиоценозы (группировка микроорганизмов). Биоценозы существуют на определенном участке среды, которая называется биотопом.

Продуценты - популяции автотрофных организмов, способных синтезировать органические вещества из неорганических. Это зеленые растения, цианобактерии, фотосинтезирующие и хемосинтезирующие бактерии. В водных экосистемах основными продуцентами являются водоросли, а на суше – семена растения.

Гетеротрофные организмы делятся на две группы: консументы — потребители и редуценты — разрушители органического вещества.

Консументы 1-го порядка — растительноядные (фитофаги, паразиты растений);

Консументы 2 и последующих порядков (гетеротрофные организмы, питающиеся растительноядными формами (хищники), паразиты животных, а также сапрофаги).

Редуценты разлагают мёртвое органическое вещество до углекислого газа и минеральных веществ, которые затем используются продуцентами. Редуценты замыкают круговорот биогенных элементов в природе. Это гетеротрофные сапрофитные организмы – бактерии и грибы, выделяющие ферменты и органические остатки и поглощающие продукты их расщепления. В процессах разложения органических соединений участвуют детритофаги (потребляют измельченную органику, например, дождевые черви, личинки мух), сапрофаги поедают помет животных и человека, например, жуки-навозники), некрофаги (поедают трупы животных, например, жуки-навозники).

Первичные продуценты – основа трофической структуры и всего существования сообщества в биоценозе. Составлен этот уровень растениями и фотоавтотрофными прокариотами. Накопленная в виде биомассы организмов-автотрофов чистая первичная продукция служит источником питания для представителей следующих трофических уровней. Потребители первичной продукции – консументы – образуют несколько (обычно 3-4) трофических уровней.

Живые организмы биоценоза связаны в цепи питания. Простой пример пищевой цепи: растительность — насекомое, питающееся растительностью — хищное насекомое — насекомоядная птица — хищная птица. Но растительноядное насекомое питается на нескольких видах растений, хищное насекомое - многими видами насекомых, насекомоядная и хищная птицы — многими видами животных. Таким образом, цепи питания образуют пищевые сети, сети питания.

Чем сложнее сети питания, чем больше видов в экосистеме, тем устойчивее данная экосистема.

В любом биогеоценозе происходит круговорот веществ. Энергия аккумулируется на уровне продуцентов, проходит через консументы и редуценты, входит в состав органических веществ, почвы, и рассеивается при разрушении ее разнообразных соединений.

В каждом звене пищевой цепи при дыхании углекислый газ возвращается в атмосферу, непереваренные остатки пищи и погибшие организмы разлагаются с помощью редуцентов, которые завершают круговорот химических элементов.

Пищевые цепи разделяют на два типа. Цепь выедания (пастбищная) начинается с продуцентов, идет к консументам 1-го, 2-го и заканчивается консументами 3-го порядка.

Цепь разложения (детритная) цепь начинается от растительных и животных остатков, экскрементов животных и идет к мелким животным и микроорганизмам (детритофагам), которые ими питаются.

Соединения цепей образуют пищевую сеть экосистемы.