Живые организмы теснейшим образом связаны не только друг с другом, но и с неживои природой. Связь эта выражается через вещество и энергию.

Обмен веществ, как известно, одно из главных проявлений жизни. Говоря современным языком, организмы представляют собой открытые биологические системы, так как они связаны с окружающей средой постоянным потоком вещества и энергии, проходящим через их тела. Материальная зависимость живых существ от среды была осознана еще в Древней Греции. Философ Гераклит образно выразил это явление в таких словах: «Текут наши тела, как ручьи, и материя постоянно обновляется в них, как вода в потоке». Вещественно-энергетическую связь организма со средой можно измерить.

Поступление пищи, воды, кислорода в живые организмы - это потоки вещества из окружающей среды. Пища содержит энергию, необходимую для работы клеток и органов. Растения напрямую усваивают энергию солнечного света, запасают ее в химических связях органических соединений, а затем она перераспределяется через пищевые отношения в биоценозах.

Потоки вещества и энергии через живые организмы в процессах обмена веществ чрезвычайно велики. Человек, например, за свою жизнь потребляет десятки тонн еды и питья, а через легкие - многие миллионы литров воздуха. Многие организмы взаимодействуют со средой еще более интенсивно. Растения на создание каждого грамма своей массы тратят от 200 до 800 и более граммов воды, которую они извлекают из почвы и испаряют в атмосферу. Вещества, необходимые для фотосинтеза , растения получают из почвы, воды и воздуха.

При такой интенсивности потоков вещества из неорганической природы в живые тела запасы необходимых для жизни соединений - биогенных элементов - давно были бы исчерпаны на Земле. Однако жизнь не прекращается, потому что биогенные элементы постоянно возвращаются в окружающую организмы среду. Происходит этов биоценозах, где в результате пищевых отношений между видами синтезированные растениями органические вещества разрушаются в конце концов вновь до таких соединений, которые могут быть снова использованы растениями. Так возникает биологический круговорот веществ.

Таким образом, биоценоз является частью еще более сложной системы, в которую, кроме живых организмов, входит и их неживое окружение, содержащее вещество и энергию, необходимые для жизни. Биоценоз не может существовать без вещественно-энергетических связей со средой. В итоге биоценоз представляет с ней некое единство.

Любую совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может поддерживаться круговорот вещества, называют экологической системой или экосистемой .

Природные экосистемы могут быть разного объема и протяженности: небольшая лужа с ее обитателями, пруд, океан, луг, роща, тайга, степь - все это примеры разномасштабных экосистем. Любая экосистема включает живую часть - биоценоз и его физическое окружение. Более мелкие экосистемы входят в состав все более крупных, вплоть до общей экосистемы Земли. Общий биологический круговорот вещества на нашей планете также складывается из взаимодействия множества более частных круговоротов.

Экосистема может обеспечить круговорот вещества только в том случае, если включает необходимые для этого четыре составные части: запасы биогенных элементов, продуценты, консументы и редуценты (рис. 67).

Продуценты - это зеленые растения, создающие из биогенных элементов органическое вещество, т. е. биологическую продукцию, используя потоки солнечной энергии.

Консументы - потребители этого органического вещества, перерабатывающие его в новые формы. В роли консументов выступают обычно животные. Различают консументы первого порядка - растительноядные виды и второго порядка - плотоядных животных.

Редуценты - организмы, окончательно разрушающие органические соединения до минеральных. Роль редуцентов выполняют в биоценозах в основном грибы и бактерии, а также другие мелкие организмы, перерабатывающие мертвые остатки растений и животных (рис. 68).

Жизнь на Земле продолжается уже около 4 млрд лет, не прерываясь именно потому, что она протекает в системе биологических круговоротов вещества. Основу этого составляет фотосинтез растений и пищевые связи организмов в биоценозах.

Однако биологический круговорот вещества требует постойнных затрат энергии.

В отличие от химических элементов, многократно вовлекаемых в живые тела, энергия солнечных лучей, задержанная зелеными растениями, не может использоваться организмами бесконечно.

По первому закону термодинамики, энергия не исчезает бесследно, она сохраняется в окружающем нас мире, но переходит из одной формы в другую. По второму закону термодинамики, любые превращения энергии сопровождаются переходом части ее в такое состояние, когда она уже не может быть использована для работы. В клетках живых существ энергия, обеспечивающая химические реакции, при каждой реакции частично превращается в тепловую, а тепло рассеивается организмом в окружающем пространстве. Сложная работа клеток и органов сопровождается, таким образом, потерями энергии из организма. Каждый цикл круговорота веществ, зависящий от активности членов биоценоза, требует все новых поступлений энергии.

Таким образом, жизнь на нашей планете осуществляется как постоянный круговорот веществ, поддерживаемый потоком солнечной энергии. Жизнь организуется не только в биоценозы, но и в экосистемы, в которых осуществляется тесная связь между живыми и неживыми компонентами природы.

Разнообразие экосистем на Земле связано как с разнообразием живых организмов, так и условий физической, географической среды. Тундровые, лесные, степные, пустынные или тропические сообщества имеют свои особенности биологических круговоротов и связей с окружающей средой. Водные экосистемы также чрезвычайно различны. Экосистемы отличаются по скорости биологических круговоротов и по общему количеству вовлекаемого в эти циклы вещества.

Основной принцип устойчивости экосистем - круговорот вещества, поддерживаемый потоком энергии, - по сути дела обеспечивает бесконечное существование жизни на Земле.

По этому принципу могут быть организованы и устойчивые искусственные экосистемы, и производственные технологии, в которых сберегается вода или другие ресурсы. Нарушение согласованной деятельности организмов в биоценозах обычно влечет за собой серьезные изменения круговоротов вещества в экосистемах. Это главная причина таких экологических катастроф, как падение почвенного плодородия, снижение урожая растений, роста и продуктивности животных, постепенное разрушение природной среды.

Примеры и дополнительная информация

1. В лесах все растительноядные организмы (консументы первого порядка) в среднем используют около 10-12% ежегодного прироста растений. Остальное перерабатывается редуцентами после отмирания листвы и древесины. В степных экосистемах роль консументов сильно возрастает. Травоядные животные могут съедать до 70% общей надземной массы растений, не подрывая существенно скорости их возобновления. Значительная часть съеденного вещества возвращается в экосистему в виде экскрементов, которые активно разлагаются микроорганизмами и мелкими животными. Таким образом, деятельность консументов сильно ускоряет круговорот веществ в степях. Накопление мертвого растительного опада в экосистемах показатель замедления скорости биологического круговорота.

2. Почва играет в наземных экосистемах прежде всего роль накопителя и резерва тех ресурсов, которые необходимы для жизни биоценоза. Экосистемы, которые не имеют почв, - водные, наскальные, на отмелях и отвалах - очень неустойчивы. Круговорот веществ в них легко прерывается и трудно возобновляется.

В почвах наиболее ценная часть - гумус - сложное вещество, которое образуется из мертвой органики в результате деятельности многочисленных организмов. Гумус обеспечивает долговременное и надежное питание растений, так как разлагается очень медленно и постепенно, освобождая биогенные элементы. Почвы с большим запасом гумуса отличаются высоким плодородием, а экосистемы - устойчивостью.

3. Неустойчивые экосистемы, в которых не сбалансирован круговорот вещества, легко наблюдать на примере зарастания прудов или мелких озер. В таких водоемах, особенно если в них смываются с окружающих полей удобрения, бурно развиваются и прибрежная растительность, и различные водоросли. Растения не успевают перерабатываться водными обитателями и, отмирая, образуют на дне слои торфа. Озеро мелеет и постепенно прекращает свое существование, превращаясь сначала в болото, а затем - в сырой луг. Если водоем небольшой, такие изменения могут протекать достаточно быстро, за несколько лет.

4. Моря представляют собой также гигантские сложные экосистемы. Несмотря на огромную глубину, они заселены жизнью до самого дна. В морях происходит постоянная циркуляция водных масс, возникают течения, у побережья действуют приливы и отливы. Солнечный свет проникает лишь в поверхностные слои воды, ниже 200 м фотосинтез водорослей невозможен. Поэтому на глубинах живут лишь гетеротрофные организмы - животные и бактерии. Таким образом, деятельность продуцентов и основной массы редуцентов и консументов сильно разобщена в пространстве. Мертвое органическое вещество в конце концов опускается на дно, но высвобождающиеся минеральные элементы возвращаются в верхние слои только в тех местах, где существуют сильные восходящие течения. В центральной части океанов размножение водорослей резко ограничивается недостатком биогенных элементов, и «урожайность» океана в этих районах такая же низкая, как в самых сухих пустынях.

Вопросы.

1. Перечислите возможно более полно состав редуцентов в лесной экосистеме.
2. Как проявляется круговорот веществ в аквариуме? Насколько он замкнут? Как сделать его устойчивее?
3. В степном заповеднике на участке, полностью огражденном от травоядных млекопитающих, урожай трав составил 5,2 ц/га, а на выпасаемом участке - 5,9. Почему устранение консументов понизи
ло продукцию растений?
4. Почему снижается плодородие почвенного покрова Земли, если вещества, изъятые человеком в виде урожая с полей, все равно рано или поздно в переработанном виде вновь возвращаются в окружающую среду?

Задание.

Сравните ежегодный прирост зеленой массы и запасы мертвых растительных остатков (подстилки - в лесах, ветоши - в степях) в разных экосистемах. Определите, в каких экосистемах круговорот веществ более интенсивен.

Темы для дискуссий.

1. В окрестностях дымящих промышленных предприятий в лесах стала накапливаться подстилка. Почему это происходит и какие прогнозы можно высказать о будущем этого леса?

2. Возможно ли существование экосистем, в которых живая часть представлена только двумя группами - продуцентами и редуцентами?

3. В прошлые эпохи в ряде районов Земли возникли большие запасы каменного угля. Что можно сказать об основных чертах экосистем, в которых это происходило?

4. В сложных экосистемах дождевых тропических лесов почва очень бедна биогенными элементами. Как это объяснить? Почему тропические леса не восстанавливаются в прежнем виде, если их свести?

5. Какой должна быть экосистема космического корабля для полетов на долгие годы?

Чернова Н. М., Основы экологии: Учеб. дня 10 (11) кл. общеобразоват. учеб. заведений/ Н. М. Чернова, В. М. Галушин, В. М. Константинов; Под ред. Н. М. Черновой. - 6-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2002. - 304 с.

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Окончание. См. No 16, 17/2002

«Болото как экосистема»

Болотный мирт (Chamaedaphna calycalata ) обычно имеет высоту около 25 см, иногда до 1 м. Как и у багульника, новые побеги у мирта появляются ежегодно только из почек возобновления на верхушках прошлогодних ветвей. Цветет в мае мелкими белыми цветками, собранными в верхушечные однобокие кисти. Мирт имеет еще одно название – кассандра. Кассандра в мифологии Древней Греции – дочь царя Трои Приама. От влюбленного в нее Аполлона она получила дар прорицания, но, отвергнув его любовь, была наказана тем, что никто не верил ее предсказаниям, хотя они всегда сбывались.

Подбел-белолистник (Andromeda polifolia ) – небольшой (до 30 см) вечнозеленый кустарничек с узкими длинными листьями, растет на более обводненных участках болот. По мере нарастания сфагновых мхов он развивает обильно ветвящиеся придаточные корни, сосредоточенные в самом верхнем моховом слое. Латинское название подбела – андромеда – связано с греческой мифологией. В царствование Кефея, царя Эфиопии, появилось морское чудовище, которое опустошало страну, поедая людей. Кефей, чтобы избавиться от наказания богов, решил принести в жертву свою красавицу-дочь Андромеду. Однако влюбленный в нее Персей победил чудовище, спас девушку и женился на ней. С тех пор расцвела от счастья Андромеда. Подбел цветет нежными розовыми колокольчиками с апреля по июнь, окрашивая блеклое еще болото в розоватый цвет.

Вереск (Calluna vulgaris ) – сильноветвящийся вечнозеленый кустарничек высотой от 30 см до 1 м. Густые кисти из многочисленных мелких лиловых цветков, располагающихся на верхушках побегов, появляются обычно поздно, в июле-августе, но остаются на кустах долго. Заросли этого декоративного кустарника охотно посещают пчелы и другие насекомые. Вересковый мед терпкий и горьковатый.

На болотах встречается несколько видов пушицы (Eriophorum ), относящейся к семейству осоковых (Cyperaceae ). Это травы высотой 30–50 см. Название происходит от белых пуховочек, появляющихся после цветения на концах стеблей. Цветет пушица в апреле-мае невзрачными цветками. Вместо лепестков – прямые гладкие малозаметные щетинки, сильно удлиняющиеся к концу цветения. Они и образуют белую пушистую кисть, в основании которой лежат черные трехгранные плодики. Вместе с пушинками семена разносятся ветром на большие расстояния.

Проблему недостатка минерального питания некоторые цветковые растения решили переходом к насекомоядности, т.е. использованию наряду с автотрофным и гетеротрофного типа питания. К таким растениям относятся росянки, пузырчатка и жирянка. На болоте обычны два вида росянки – английская (Drosera anglica ) и круглолистная (D. rotundifolia ) – различающиесся по форме листьев, которые служат им ловчими аппаратами. У английской росянки они длинночерешковые, ланцетные, у круглолистной – округлые. Различаются виды росянок и условиями обитания. Росянка круглолистная предпочитает более сухие места и соседство сосны. Английская росянка более влаголюбива и растет на обводненных мочажинах с уровнем воды не ниже 2 см от поверхности.

Росянка – многолетнее растение. Ранней весной зимовавшая в толще мха почка появляется на поверхности и дает начало листьям, а также длинному стебельку с соцветием из мелких белых цветков. Чтобы вынести почку наружу, росянка каждую весну вырастает на толщину увеличившегося мохового покрова. По сохранившимся розеткам росянки можно точно замерить прирост сфагнума в течение ряда лет.

Листья росянок обоих видов покрыты многочисленными (до 200 на каждом листе) красными железистыми волосками с капельками светлой жидкости, похожей на росу. Отсюда происходит и название растения (от греческого drosos – роса). Железки на волосках, соприкоснувшись с жертвой, начинают выделять пищеварительную жидкость, содержащую вещества, близкие по составу к пепсину в желудке человека. Росянка усваивает только белки, жиры и углеводы ей не нужны. Процесс пищеварения идет очень медленно, в течение нескольких дней. Опыты с росянкой показали, что чувствительность железок росянки гораздо выше, чем у нервных окончаний на кончике языка человека.

Подойдя к окраине верховых болот, куда стекают обогащенные минеральными веществами воды, можно увидеть растения, приспособленные к мезотрофному питанию: белокрыльник болотный, вахта трехлистная, сабельник болотный и другие.

Задание 8. Установите принадлежность обнаруженных видов растений к семействам. Заполните таблицу.

Наиболее распространенным представителем древесного яруса на верховом болоте является сосна обыкновенная (Pinus sylvestris ). Однако ее рост подавлен обилием воды, малым количеством элементов минерального питания и обеднением торфа кислородом. Растущие на болотах сосны отличаются от суходольных своим строением, о чем в начале XX в. писал В.Н. Сукачев. У них короче хвоя, в которой больше смоляных ходов, мельче шишки и семена, другая форма ствола. Древесина их плотная, поэтому долго не разрушается, годичные кольца тонкие, а рост стебля в высоту происходит очень медленно.

Задание 9. Определите визуально высоту сосны и подсчитайте возраст по мутовкам на стеблях. Сравните возраст и высоту растений на более сухих и более влажных участках гряды.

Из других растений на болотах можно встретить березу пушистую (Betula pubescens ), которая вместе с сосной образует разреженные древостои. Высота березы и диаметр ее ствола зависят от места произрастания.

Задание 10. Определите ярусность растений верхового болота. Впишите названия видов растений в соответствующие графы таблицы.

Ответьте на вопрос: как бы вы объяснили ограниченность видового состава растительности болотной экосистемы?

5. Консументы

Четвертый этап экскурсии посвящен видовому разнообразию консументов и их приспособленности к среде обитания. Фауна беспозвоночных животных разнообразна и зависит от среды обитания: озерцо (поверхность воды, толща воды, дно и донные отложения), древесная растительность и открытое воздушное пространство.

Перед началом рассказа об энтомофауне болот учитель раздает учащимся табл. 1 и 2 и просит их по ходу экскурсии заполнить пустые графы – вписать названия рассмотренных и определенных до рода животных либо обозначить присутствие той или иной группы животных знаком «+» (задания 11 и 12).

Наблюдения за фауной беспозвоночных целесообразно начать с озерца.

На поверхности воды учащиеся могут увидеть насекомых-хищников, питающихся мелкими животными, случайно попавшими на водную поверхность. К этим насекомым относятся водомерка большая (Gerris rufoscutellatus ) и водомерка панцирная (G.thoracicus ), а также вертячки (Gуrinus ). Эти насекомые имеют водных личинок, развитие которых не обязательно связано именно с данным водоемом. Подтверждением этому служит то, что в болотных озерцах нет подходящих условий для развития упомянутых насекомых. Так, например, личинка вертячки имеет трахейные жабры и обитает в донном субстрате, который в условиях болота сильно обеднен кислородом; водомерка обычно откладывает яйца на листья водных растений, а подходящих для кладок листьев высших водных растений в озерцах нет.

Особую группу относительно крупных и очень активных хищников составляют гладыши (Notonecta glauca ) и различные виды гребляков (Corixa ). Гладыш обитает в приповерхностных слоях, т.к. запас воздуха, который он несет с собой, сильно повышает плавучесть. Гребляки менее подвижны. Они носят запас воздуха под надкрыльями и могут дольше задерживаться под водой. Для перечисленных видов необходима погруженная или плавающая водная растительность, к которой они могли бы прикрепляться. Эти насекомые также могут быть мигрантами, т.к. в вечернее время активно летают.

В толще воды водные клещи разных видов составляют многочисленную группу водных хищников, охотящихся преимущественно на мелких низших ракообразных (дафний, циклопов и пр.), а также на мелких личинок насекомых. Эти виды-консументы благодаря своей абсолютной несъедобности замыкают короткие цепи питания.

Исследование глубоких (более 1 м) придонных слоев воды и донных осадков показывает бедность фауны. Это связано с низкой температурой воды и высокой кислотностью, что не способствует бактериальному разложению донных растительных отложений и кислородной насыщенности среды. Микроскопические исследования таких отложений позволяют выявить амеб с силикатными раковинками (Arcella ). В болотной экосистеме эти виды являются детритофагами. Маловероятно, что удастся встретить водных моллюсков, так как их известковые раковинки быстро разрушаются в кислой среде. Следовательно, представителей кольчатых червей – пиявок, основных потребителей водных моллюсков, – также трудно будет обнаружить.

Затем учащиеся продолжают путь по гряде, и учитель рассказывает о беспозвоночных животных, обитающих вне воды.

В поверхностном слое сфагнума живут микроскопические клещи, представители класса паукообразных. В нижних слоях мха обитают коловратки, мелкие ракообразные и тихоходки, которые какой-либо существенной роли в почвообразовании не играют. В связи с тем, что болотная растительность верхового болота представлена в основном мохообразными и ветроопыляемыми цветковыми растениями, насекомые-опылители будут встречаться спорадично. На сабельнике болотном (Comarum palustre ) можно обнаружить некоторые виды шмелей, а также пчеловидных и шмелевидных мух. На границе болота и леса проявится пограничный эффект, и можно ожидать большего разнообразия насекомых-опылителей, связанных с определенными кормовыми растениями.

Верховые болота являются местом выплода различных видов «немалярийных» комаров. Учащимся будет интересно узнать о том, что методом наблюдения за мечеными особями было установлено расселение комаров от водоема на расстояния до 18 км. Условия болота малопригодны для видов Anopheles , тогда как личинки комаров Culex составляют главнейшее звено в цепях питания. Учитель может назвать отличительные признаки комаров родов Culex и Anopheles . Важно напомнить учащимся, что у взрослых комаров существует пищевая дифференциация по половому признаку, вследствие чего самцы и самки относятся к разным трофическим уровням. Самцы – консументы 1-го порядка, питающиеся соками растений; самки, как кровососущие насекомые, являются консументами последующих порядков в других пищевых цепях.

Открытое пространство над болотом – прекрасное место для охоты стрекоз, которые являются активными хищниками, добывающими пищу в полете. Чаще других на болоте можно встретить хорошо заметную крупную стрекозу плоскую (Libellula depressa ), а также похожую на нее стрекозу четырехпятнистую (L.quadrimaculatum ), имеющую более вытянутое брюшко и незачерненные основания первой пары крыльев.

Известно, что все стрекозы проходят личиночную стадию неполного превращения в воде. Дышат личинки растворенным в воде кислородом с помощью внутренних (ректальных) жабр (равнокрылые стрекозы) либо с помощью трех наружных трахейных брюшных жабр (разнокрылые стрекозы). Личинки всех видов стрекоз являются активными хищниками, причем их добычей иногда становятся довольно крупные водные животные – головастики, мальки рыб. Однако в связи с обедненностью воды кислородом и бедностью кормовой базы личинки стрекоз в болотной экосистеме редки.

Передвигаясь по гряде в направлении к краю болота, учитель рассказывает о вредителях деревьев и демонстрирует вызванные ими повреждения. На верховом болоте произрастают немногочисленные деревья в угнетенном состоянии: сосна обыкновенная, береза пушистая, ивы. Именно с ними связаны некоторые потребители растительной продукции.

Следы работы большого пестрого и черного дятлов указывают на зараженность сосен личинками усачей. Можно обнаружить их личиночные ходы и «колыбельки» под отмершей корой. Под корой мертвых сосен хорошо видна буроватая мука короеда-типографа (Ips typographus ), расположенные параллельно оси дерева маточные ходы, а также множество летных отверстий. Под корой мертвых сосен можно увидеть также двупарноногих хищных многоножек.

Кора некоторых берез оказывается продырявленной заболонником березовым (Scolytus ratzeburgi ) – cамым крупным представителем семейства короедов (Ipidae ). На листьях березы всегда обнаруживаются березовая тля и гусеницы березовой пяденицы.

На березе и сосне можно увидеть также и других активных потребителей растительной продукции – ложногусениц березового и соснового пилильщиков, которые легко отличаются от гусениц чешуекрылых по визуальным признакам: хорошо выраженным простым глазкам, 11 парам ног (8 брюшных + 3 грудных).

И, наконец, если рассмотреть листья березы и ивы, можно обнаружить следы деятельности мелких насекомых, их личинок, а также клещиков. Это следы укусов, обгрызаний, выедания мезофилла (минирование), т.е. все то, что обычно ускользает от взгляда при беглом осмотре.

Перейдя по гряде к краю болота, учитель может продемонстрировать учащимся результат работы черного древесного муравья над древесиной некоторых елей. При этом центральная часть ствола у их основания часто превращается в пергаментную труху.

Учитель может порекомендовать учащимся собрать по ходу экскурсии небольшой гербарий поврежденных листьев, а затем в лабораторных условиях определить видовую принадлежность их потребителей. Точно так же в лабораторных условиях полезно рассмотреть население сфагновых мхов – микроскопических растительноядных и хищных клещей.

Следует еще раз отметить, что верховое болото – это уникальное сообщество, где в роли консументов 2-го и даже 3-го порядков могут выступать растения: росянка, растущая по грядам, и пузырчатка в озерах.

Рассказ о консументах болотной экосистемы будет неполным, если не упомянуть позвоночных животных. Их видовое разнообразие относительно невелико. Потребителями плавающих у поверхности озерков и летающих насекомых являются прудовые лягушки (Rana esculenta ), численность которых в летний период напрямую зависит от биомассы вышеупомянутых насекомых. На некотором расстоянии от кромки воды – на грядах – встречаются два близких вида: лягушка травяная (R.temporaria ) и лягушка остромордая (R.аrvalis ). Класс пресмыкающихся представлен ящерицей живородящей (Lacerta viviparia ) и гадюкой обыкновенной (Vipera berus ), места зимовок которой приурочены к верховым болотам.

Из птиц на верховом болоте в Подмосковье можно встретить крякву (Anas platyrhynchos ), являющуюся консументом 1-го порядка. Консументы 2-го порядка представлены кукушкой обыкновенной (Сuculus canorus ), ловящей насекомых в воздухе, некоторыми видами дятлов, луговым коньком (Anthus pratensis ), трясогузками (Motacilla sp .), собирающими мелких беспозвоночных с поверхности. На границе болота и леса возможна встреча с чижом (Spinus spinus ) и овсянкой-ремезом (Emberiza rustica ). Следует отметить, что кормовая база большинства перечисленных видов птиц не ограничивается беспозвоночными животными и они охотно потребляют также почки растений, их семена и ягоды, что оправданно в условиях скудного питания, предлагаемого болотной экосистемой. Хищные птицы в Подмосковье редки, и их экологическую нишу (консументов 3-го порядка), по-видимому, занимают чайки (Larus minutus ). Из млекопитающих животных болото могут посещать лоси (Alces alces ).

6. Редуценты

Роль редуцентов в болотной экосистеме не так велика, как в других экосистемах, что обусловлено особенностями абиотических факторов. Тем не менее на корнях некоторых покрытосеменных растений можно рассмотреть микоризу. В летний и осенний период на болоте вырастают плодовые тела различных грибов (осенью – подберезовики и подосиновики). Деятельность бактерий в болотах снижена, т.к. выделяемые мхами фенолы подавляют микробиологические процессы. Низкая скорость разложения органического вещества, в свою очередь, способствует накоплению в болотной экосистеме торфа.

В связи с тем, что экскурсия является достаточно продолжительной по времени и информационно насыщенной, теоретические основы организации болотной экосистемы можно дать перед ней на уроке в классе.
Для проверки знаний, полученных во время экскурсии, учитель дает учащимся задания. Задания можно выполнять в группах с последующим их обсуждением на уроке. При творческом подходе к выполнению задания учащиеся могут сделать рисунки, коллажи, схемы.

Задания для проверки знаний, полученных на экскурсии

1. Докажите, что болото является экосистемой.
2. Докажите, что болото – устойчивая во времени экосистема.
3. Составьте характеристику болота как экосистемы по плану: особенности почвы, водный режим, особенности растительного и животного мира.
4. Представьте себе, что во время прогулки в лес вы встретили на пути болото. Что вы будете делать, чтобы определить его тип? По каким признакам можно отличить верховое болото от низинного?
5. На двух-трех примерах покажите приспособленность растений к абиотическим факторам болота.
6. Составьте схему пищевой сети обитателей верхового болота.
7. Семинар по теме «Значение, использование и охрана болотной экосистемы»

Подготовка к семинарскому занятию начинается за две недели до его проведения. На стенде «Исследовательская работа учащихся» вывешиваются название темы семинара, перечень вопросов и список рекомендуемой литературы. Учащимся предлагаются следующие темы для подготовки сообщений.

1. Роль болот в регулировании гидрологического режима ландшафта.
2. Роль болот в регулировании геохимических процессов в биосфере.
3. Роль болот в сохранении биологического и ландшафтного разнообразия биосферы.
4. Использование болота человеком.

Для контроля за ходом подготовки к семинару учитель проводит консультации, на которых анализирует и корректирует проделанную работу, дает рекомендации и рецензирует выполненные задания.

Семинар начинается с вводного слова учителя, который формулирует основные задачи урока, дает краткую характеристику темы, подчеркивает ее практическую значимость. Используя гербарный материал, таблицы, слайды, учитель активизирует полученные учащимися на экскурсии знания о болоте как экосистеме. Учащиеся вспоминают основные связи растений и животных в экосистеме. С помощью учителя учащиеся формулируют вывод о том, что в цепях питания биогеоценоза органическое вещество синтезируется и многократно трансформируется, вследствие чего происходит непрерывный круговорот веществ в биосфере.

Затем учитель знакомит учащихся с биологической продуктивностью болот, раскрывает главные отличия между истинным приростом лесов и болот. Если в лесу истинный прирост сосредотачивается в деревьях (они растут), то на болоте он приблизительно на 10–20% переходит в торф. За счет этого болота растут вверх. Остальная часть прироста (80–90%) разлагается, расщепляется на химические элементы и вступает в следующий круговорот. Перешедшие в торф вещества исключаются из круговорота веществ в природе.

В сообщениях учащихся, посвященных биосферным функциям болотной экосистемы, рассматриваются следующие значения болот.

1. Формирование ресурсов грунтовых и подземных вод.
2. Регулирование стока паводковых вод.
3. Защита от проникновения соленых вод в подземные и поверхностные пресные воды.
4. Задержание взвешенных частиц.
5. Накопление питательных веществ для животных.
6. Удаление токсических веществ.
7. Глобальная аккумуляция углерода.
8. Поддержание микроклимата.
9. Сохранение местообитаний растений и животных, в том числе редких видов.

В рассказах учащихся о практическом значении болот должны быть затронуты вопросы использования человеком:

– лекарственных растений;
– генофонда некоторых видов растений и животных для селекции;
– ягод и грибов.

Учащиеся также могут рассказать о разнообразном использовании торфа (в строительстве, бумажном производстве, сельском хозяйстве, медицине, в качестве топлива).

Учитель дополняет сообщения учащихся рассказом о способах добычи торфа (фрезерном, экскаваторном, гидравлическом), обращает внимание ребят на отрицательные последствия мелиорации. Заканчивая обзор свойств торфа, учитель рассказывает о способности торфа консервировать предметы жизнедеятельности человека, следы материальной культуры.

Для закрепления изученного материала учитель перед началом урока предлагает учащимся следующие вопросы, на которые они должны ответить в конце урока (или дома).

1. Почему при осушении болот снижается уровень грунтовых вод?
2. Каким образом болота регулируют сток паводковых вод?
3. Существует мнение, что леса являются легкими планеты, ручьи и реки – ее кровеносной системой, а болота выполняют роль печени и легких на Земле. Согласны ли вы с этим утверждением? Аргументируйте свой ответ.
4. Каким образом может происходить накопление питательных и удаление токсических веществ в донных отложениях болот?
5. Какие из обитающих на болоте видов растений и животных занесены в Красную книгу?
6. Как вы понимаете высказывание о том, что болото является глобальным аккумулятором углерода?
7. Каким образом исчезновение болот может способствовать возникновению парникового эффекта?

Любую совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может поддерживаться круговорот вещества, называют экологической системой или экосистемой.
Природные экосистемы могут быть разного объема и протяженности: небольшая лужа с ее обитателями, пруд, океан, луг, роща, тайга, степь - все это примеры разномасштабных экосистем. Любая экосистема включает живую часть - биоценоз и его физическое окружение. Более мелкие экосистемы входят в состав все более крупных, вплоть до общей экосистемы Земли. Общий биологический круговорот вещества на нашей планете также складывается из взаимодействия множества более частных круговоротов.
Экосистема может обеспечить круговорот вещества только в том случае, если включает необходимые для этого четыре составные части: запасы биогенных элементов, продуценты, консументы и редуценты.
Продуценты - это зеленые растения, создающие из биогенных элементов органическое вещество, т. е. биологическую продукцию, используя потоки солнечной энергии.
Консументы - потребители этого органического вещества, перерабатывающие его в новые формы. В роли консументов выступают обычно животные. Различают консументы первого порядка - растительноядные виды и второго порядка - плотоядных животных.
Редуценты - организмы, окончательно разрушающие органические соединения до минеральных. Роль редуцентов выполняют в биоценозах в основном грибы и бактерии, а также другие мелкие организмы, перерабатывающие мертвые остатки растений и животных.
Жизнь на Земле продолжается уже около 4 млрд лет, не прерываясь именно потому, что она протекает в системе биологических круговоротов вещества. Основу этого составляет фотосинтез растений и пищевые связи организмов в биоценозах.
Однако биологический круговорот вещества требует постойнных затрат энергии.

В отличие от химических элементов, многократно вовлекаемых в живые тела, энергия солнечных лучей, задержанная зелеными растениями, не может использоваться организмами бесконечно.
По первому закону термодинамики, энергия не исчезает бесследно, она сохраняется в окружающем нас мире, но переходит из одной формы в другую. По второму закону термодинамики, любые превращения энергии сопровождаются переходом части ее в такое состояние, когда она уже не может быть использована для работы. В клетках живых существ энергия, обеспечивающая химические реакции, при каждой реакции частично превращается в тепловую, а тепло рассеивается организмом в окружающем пространстве. Сложная работа клеток и органов сопровождается, таким образом, потерями энергии из организма. Каждый цикл круговорота веществ, зависящий от активности членов биоценоза, требует все новых поступлений энергии.
Таким образом, жизнь на нашей планете осуществляется как постоянный круговорот веществ, поддерживаемый потоком солнечной энергии. Жизнь организуется не только в биоценозы, но и в экосистемы, в которых осуществляется тесная связь между живыми и неживыми компонентами природы.
Разнообразие экосистем на Земле связано как с разнообразием живых организмов, так и условий физической, географической среды. Тундровые, лесные, степные, пустынные или тропические сообщества имеют свои особенности биологических круговоротов и связей с окружающей средой. Водные экосистемы также чрезвычайно различны. Экосистемы отличаются по скорости биологических круговоротов и по общему количеству вовлекаемого в эти циклы вещества.
Основной принцип устойчивости экосистем - круговорот вещества, поддерживаемый потоком энергии, - по сути дела обеспечивает бесконечное существование жизни на Земле.
По этому принципу могут быть организованы и устойчивые искусственные экосистемы, и производственные технологии, в которых сберегается вода или другие ресурсы. Нарушение согласованной деятельности организмов в биоценозах обычно влечет за собой серьезные изменения круговоротов вещества в экосистемах. Это главная причина таких экологических катастроф, как падение почвенного плодородия, снижение урожая растений, роста и продуктивности животных, постепенное разрушение природной среды.

Трофическая структура экосистем.

Источник: методичка «Остров» (немного есть в лекции 3).

Ответ:

Автотрофное питание (автономное питание)– синтез органических веществ из неживой природы (углекислого газа и воды) посредством фотосинтеза (фотоавтотрофные организмы) и хемосинтеза (хемоавтотрофы).

К фотоавтотрофам относятся все зеленые растения и некоторые бактерии (примеры автотрофов: мох, деревья, фитопланктон). В процессе жизнедеятельности они синтезируют на свету органические вещества – углеводы или сахара (СН 2 О) n . Главная роль в синтезе органических веществ принадлежит растительным организмам, они полностью отвечают за образование всего нового органического вещества в любой экосистеме. Каждый год фотосинтезирующими организмами на Земле создается около 150 млрд. т органического вещества, аккумулирующего солнечную энергию.

Хемоавтотрофы (обитают в почве и в недрах) используют энергию, выделяющуюся при химических реакциях окисления водорода, серы, сероводорода, аммиака и др., и синтезируют необходимые им органические вещества. К этой группе принадлежат нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой и затем азотной кислот.

Гетеротрофное питание (питающиеся другими) – потребление готового органического вещества. К гетеротрофам относятся все животные, грибы и большая часть бактерий. Гетеротрофы выступают как потребители и разрушители (деструкторы) органических веществ. В зависимости от источников питания и участия в деструкции органических веществ они подразделяются на консументов, детритофагов (сапротрофов), редуцентов.

Консументы – потребители органического вещества живых организмов. Консументы – это самые разнообразные организмы: от бактерий до слонов. К ним относятся простейшие, черви, рыбы, моллюски, членистоногие, птицы, млекопитающие, в том числе и человек. Консументы делятся на ряд подгрупп в соответствии с различиями в источниках питания.

Деятельность консументов способствует превращениям и перемещениям органических веществ в экосистемах, частичной их минерализации, а также рассеянию энергии, накопленной продуцентами.

К консументам относятся и симбиотрофы (бактерии и грибы), которые питаются корневыми выделениями растений. Симбиотрофы играют значительную роль в функционировании экосистем. Нити грибов, опутывающие корни растений, помогают всасыванию воды и минеральных веществ. Бактерии-симбиотрофы усваивают из атмосферы азот и превращают его в доступные для растений соединения (аммиак, нитраты). Этот азот называется биологическим. К симбиотрофам относятся бактерии, одноклеточные организмы, обитающие в кишечнике человека и животных-фитофагов, они помогают переваривать им пищу.

Детритофаги (сапротрофы) – организмы, питающиеся мертвым органическим веществом – остатками растений и животных (детритом). Это различные гнилостные бактерии, грибы, черви, многоножки, личинки мух, раки, крабы, шакалы и другие животные – все они выполняют функцию очищения экосистем. Детритофаги – тоже консументы.

Некоторые организмы используют в пищу как растения, так и животных и даже детрит, они относятся к эврифагам (всеядным) – медведь, лиса, свинья, крыса, курица, ворона, таракан и др.

Редуценты – бактерии и низшие грибы – завершают деструктивную работу детритофагов, доводят разложение органического вещества до неорганических соединений (минеральных) – углекислого газа, воды и др. Они возвращают в экологическую систему минеральные вещества, возвращают вещества в круговорот, превращая их в формы, доступные для продуцентов (автотрофов). Роль редуцентов в круговороте веществ чрезвычайно велика. Без редуцентов в биосфере накапливались бы груды органических остатков; иссякли бы запасы минеральных веществ, необходимых продуцентам, и жизнь в той форме, которую мы знаем прекратилась бы.

В любой экосистеме все детритофаги и редуценты выполняют одну и ту же функцию – питаются мертвым органическим веществом, разлагают его и в итоге превращают его в неорганические вещества, которые служат исходным сырьем для питания продуцентов. Детритофаги и редуценты по типу питания выделяются в особую группу организмов – сапрофаги (питаются мертвыми органическими остатками).

Все названные группы организмов в любой экосистеме тесно взаимодействуют между собой, согласуя потоки вещества и энергии. Их совместное функционирование не только поддерживает структуру и целостность экосистемы, но и оказывает существенное влияние на абиотические компоненты системы, способствуя ее очищению.