Презентація - "Надорганізмові біологічні системи"

НАДОРГАНІЗМОВІ БІОЛОГІЧНІ СИСТЕМИБіологія 9

Зміст: Екологічні фактори;Екосистема. Різноманітність екосистем;Харчові зв’язки та потоки енергії в екосистемах;Біосфера як цілісна система;Стабільність екосистем та причини її порушення;

Екологічні фактори. Екологічні фактори – це всі складові навколишнього середовища, що впливають на стан і властивості організмів та їхніх угруповань. Залежно від природи та особливостей дії їх поділяють на групи: абіотичні, біотичні та антропогенні. Екологічні фактори. АбіотичніБіотичніАнтропогенні(освітленість, температура, вологість, газовий склад повітря, тиск…)(внутрішньовидові зв’язки,міжвидові зв’язки)(різні форми діяльності людини)

Вплив факторів характеризується закономірністю, що називається законом оптимуму: кожен фактор позитивно впливає на організм у певних межах (схема 10). Чим більше інтенсивність дії окремого екологічного фактора відхиляється від оптимальної, тим більшою є його пригнічувальна дія на організм. Значення інтенсивності дії цього фактора, поза якими існування стає неможливим, називають верхньою та нижньою межами витривалості. Фактор, інтенсивність дії якого в певних умовах виходить за межі витривалості, називають лімітуючим.

Основні форми біотичних взаємозв’язків. Форми біотичних взаємозв’язків. Паразитизм. Коменсалізм. Мутуалізм. Хижацтво

Екосистема. Різноманітність екосистем. Екосистема – це сукупність організмів різних видів, які взаємодіють між собою і з середовищем у такий спосіб, що всередині системи відбуваються перетворення енергії, колообіг речовин і саморегуляція.

Структура екосистеми

До абіотичної частини належать: неорганічні сполуки (кисень, вуглекислий газ, азот, вода тощо), органічні сполуки (рештки організмів та продукти їхньої життєдіяльності), мікроклімат (середньорічна температура, вологість тощо).

Біотичну частину становлять популяції організмів з різним типом живлення: продуценти – автотрофні організми (водорості, вищі рослини, хемотрофні прокаріоти); консументи – гетеротрофні організми, які живляться іншими організмами, соками цих організмів або їхніми рештками (рослиноїдні тварини, хижаки, паразити); редуценти – гетеротрофні організми, які живляться залишками або продуктами життєдіяльності організмів, розкладаючи їх до неорганічних сполук (членистоногі, гриби, бактерії).

Різноманітність екосистем. Наземна екосистема. Широколистяний ліс. Штучнаекосистема. Поле. Прісноводна екосистема. Річка. Морська екосистема. Відкритий океан

Харчові зв’язки та потоки енергії в екосистемах. Трофічний рівень – сукупність організмів з однаковим типом живлення. Ось як розподіляються організми по різних трофічних рівнях: перший – автотрофи (продуценти); другий – рослиноїдні організми (консументи I порядку), сапротрофи (редуценти); третій – хижаки (консументи II – ІV порядку тощо) (рис. 180).

Ланцюг живлення – види організмів, пов’язаних між собою харчовими відносинами, що створює певну послідовність у передаванні речовин та енергії. Типи ланцюгів живлення. Виокремлюють ланцюги виїдання (пасовищний) та розкладання (детритний). Ланцюг живлення, що починається з автотрофних фотосинтезуючих або хемотрофних організмів, називається пасовищним, або ланцюгом виїдання.1 — пасовищний харчовий ланцюг:жива рослина — рослиноїдна комаха — хижа комаха — комахоїдний птах — хижий птах.2 — детритний харчовий ланцюг:опале листя (детрит) — ґрунтові бактерії, черви, гриби (детритофаги) — ґрунтові комахи і кліщі — хижі комахи і комахоїдні тварини.

У будь-якій екосистемі різні ланцюги живлення не існують окремо один від одного, а тісно пов’язані між собою завдяки тому, що представники того самого виду можуть бути ланками різних ланцюгів живлення. Переплітаючись, вони формують трофічну сітку. Її існування забезпечує стійкість екосистеми: у разі зміни чисельності популяцій певних видів кормові об’єкти легко замінюються. Енергія не може передаватися по замкнутому колу. Вона доступна живим організмам у формі сонячної радіації, яка може зв'язуватися в процесі фотосинтезу. Витрачаючись потім у вигляді хімічної енергії, вона втрачається, перетворюючись на тепло. Необхідні для життя елементи і розчинені солі умовно називають поживними речовинами, або біогенними (ті, що дають життя) елементами.

Правило екологічної піраміди. Для всіх екосистем характерні певні закономірності передавання енергії та біомаси між трофічними рівнями. Правило екологічної піраміди відбиває таку закономірність: на кожному наступному трофічному рівні кількість біомаси та енергії, що їх запасають організми за одиницю часу, є значно меншою, ніж на попередньому. Наочно це правило можна зобразити як піраміду, складену з окремих блоків. Кожен із цих блоків відповідає продуктивності організмів на відповідному трофічному рівні ланцюга живлення. Екологічна піраміда. Приклад:у ланцюгу хижак — гризун — рослина, якщо вага хижака складає 15 кг, він потребує 150 кг їжі (гризунів). Для прогодовування 150 кг гризунів знадобиться 1500 кг рослинної їжі. Правило 10 % !!!

Приклад задач

Біосфера як цілісна система. Біосфера – це глобальна екологічна система, межі якої зумовлені життєдіяльністю організмів.

Межі біосфери та оболонки планети Земля. Біосфера охоплює частину атмосфери до висоти озонового шару (20 – 25 км), частину літосфери (2 – 3 км нижче від поверхні) та всю гідросферу (рис. 183). Атмосфера являє собою газувату оболонку, що оточує нашу планету. Суміш газів, що становить атмосферу, називається повітрям. Поширення організмів в атмосфері обмежене озоновим шаром.

Максимальна висота, на якій виявлено спори бактерій і грибів, сягає 22 км. Гідросфера – водна оболонка планети, сукупність океанів, морів, вод континентів, льодовикових покривів. Вода є основою існування життя на Землі. У гідросфері організми живуть на будь-яких глибинах. Літосфера – верхня тверда оболонка Землі, що зверху межує з гідросферою та атмосферою, які частково проникають у неї. Углиб літосфери організми можуть проникати на незначні глибини. Ґрунт – верхній шар літосфери, що є місцем перебування більшості організмів суходолу. Найбільшу товщину біосфера має на тропічних широтах – 22 км, найменшу – на полярних – 12 км.

Колообіг речовин у біосферіКолообіг речовин – це обмін речовинами між абіотичною та біотичною частинами екосистеми. У біосфері постійно триває колообіг води (рис. 185), Карбону, Оксигену, Нітрогену та інших хімічних елементів, що входять до складу організмів. Розглянемо приклади колообігу речовин у біосфері.

Колообіг Карбону. Колообіг Карбону в природі системах пов’язаний із двома основними процесами — фіксацією вуглекислого газу в процесі фотосинтезу та його поверненням в атмосферу під час дихання. Автотрофні організми, наприклад, рослини й водорості, здатні включати неорганічний вуглекислий газ до складу цукрів та інших органічних речовин. Виділення вуглекислого газу назад в атмосферу відбувається в процесі дихання живих організмів і розкладання мертвої органіки.

У більшості стабільних екосистем процеси фіксації вуглекислого газу та дихання збалансовані. Рослини поглинають СО2, але їх поїдають тварини чи вони відмирають і розкладаються за участю редуцентів, що супроводжується виділенням такої самої кількості СО2 назад в атмосферу. Виняток становлять ті екосистеми, у яких біомаса в певний спосіб вилучається з колообігу. Насамперед це стосується морських екосистем, у яких мертві організми опускаються на дно, де гниття уповільнене через низькі температури та високий тиск. Серед наземних екосистем подібне характерне, наприклад, для боліт. А от тропічні ліси, попри те, що поглинають десятки гігатонн вуглекислого газу на рік, стільки ж виділяють назад в атмосферу. Це в жодному разі не означає, що ліси некорисні для планети й що їх вирубування ні до чого поганого не призводить: у складі їхньої біомаси є величезна кількість Карбону, і в результаті використання деревини ввесь цей Карбон повертається назад до колообігу!

Колообіг Карбону останнім часом привертає особливу увагу. Річ у тім, що Земля Екран із тепличних газів Сонце Атмосфера вуглекислий газ і метан, разом із деякими іншими газами та водяною парою, спричиняють так званий парниковий ефект (рис. 52.2), який призводить до глобального потепління й зміни клімату. Протягом мільйонів років Карбон живих організмів виводився з екосистем у вигляді копалин — вугілля, нафти та газу. Інтенсивне спалювання цих корисних копалин і вирубування лісів останні півтора-два століття призвели до порушення карбонового балансу та підвищення концентрації вуглекислого газу в атмосфері. Вуглекислий газ слугує таким собі атмосферним теплоізолятором для планети, оскільки не пропускає теплового випромінювання від її поверхні. Це може призвести до зростання середньої температури, серйозних змін клімату та стихійних лих.

Колообіг Нітрогену неможливий без бактерій. Нітроген — один із найважливіших елементів, що входять до складу живих організмів. Повітря, яким ми дихаємо, на 78 % складається з азоту, але в ньому Нітроген перебуває у формі, у якій не може бути використаний живими організмами (адже сама назва «азот» перекладається з грецької як «безжиттєвий»). Це тому, що зв’язок між двома атомами Нітрогену в молекулі 𝐍𝟐 дуже сильний, і щоб розірвати його, потрібна значна кількість енергії. У промисловості для того, щоб розірвати зв’язки в цій молекулі, наприклад, для виробництва амоніаку, потрібні висока температура, тиск і каталізатор. У природі з цим завданням можуть упоратися лише деякі ґрунтові мікроорганізми — азотфіксувальні бактерії. 

Нітроген із мертвих організмів чи відходів життєдіяльності тварин повертається в довкілля. Складні органічні сполуки в процесі амоніфікації розпадаються з утворенням амоніаку. Як нам уже відомо, амоніак може піддаватися нітрифікації з утворенням нітратів та нітритів і в такому вигляді знову поглинатися рослинами. З другого боку, частина нітратів та нітритів піддається денітрифікації з утворенням молекулярного азоту та газоподібних оксидів Нітрогену, які повертаються в атмосферу.

Таким чином, основні етапи колообігу Нітрогену можна подати у вигляді такої послідовності: зв’язування атмосферного азоту азотфіксувальними бактеріями з утворенням амоніаку → нітрифікація амоніаку з утворенням нітратів і нітритів → поглинання останніх рослинами та включення до складних органічних сполук → поширення сполук Нітрогену трофічними рівнями екосистеми → утворення амоніаку з відходів життєдіяльності організмів і мертвої органіки в результаті амоніфікації → нітрифікація з утворенням нітратів і нітритів → повернення в харчовий ланцюг чи денітрифікація з утворенням 𝐍𝟐 O та 𝐍𝟐 

Екологічні фактори. У середині XIX століття німецький учений Юстус фон Лібіх зацікавився факторами, що впливають на ріст рослин. Він виявив, що коли рослинам не вистачало в ґрунті якогось одного елемента, то їхній ріст припинявся, незалежно від наявності чи навіть надлишку інших речовин. Лібіх сформулював цей закон мінімуму так: «Урожай визначається речовиною, що перебуває в мінімумі». Наприклад, брак Нітрогену в ґрунті не можна компенсувати внесенням калійних добрив, а брак Калію — надлишком Фосфору. Якщо рослинам бракує і Калію, і Нітрогену, то лімітувальним буде той елемент, якого бракує більше. Закон Лібіха можна розширити, включивши до нього температуру, світло, хімічний склад повітря, води та ґрунту — тобто будь-які екологічні фактори, що обмежують ріст і розвиток живих організмів. Такі фактори називають лімітувальними.

Закон Лібіха іноді образно представляють у вигляді бочки з дошками різної довжини. Цю модель так і називають — бочка Лібіха (рис. 53.2). Якщо налити в таку бочку води, то рівень останньої визначатиметься лише тією дошкою, яка закінчується нижче за інші. Ця дошка й буде лімітувальним фактором. Приклад. Лібіх використовував бочку для ілюстрації закону. Зараз вона називається Бочка Лібіха. Так само як об'єм бочки виготовленої з нерівних дощечок обмежений найменшою дощечкою, так і ріст рослини та їх врожайність обмежуються поживною речовиною, що є присутня в найменшій кількості.

Стабільність екосистем. Стійкість екосистем — це їхня здатність протистояти зовнішнім впливам. Стійкість можна розглядати у двох планах: як здатність опиратися змінам чи як здатність швидко відновлюватися після них. Перший вид стійкості називають резистентною стійкістю, а другий — пружною. Наприклад, листяні ліси в середньому мають більш високу резистентну стійкість до полум’я, ніж степи: пожежа в сухому степу виникає від однієї іскри та поширюється набагато швидше, ніж у вологому листяному лісі. Водночас степи мають вищу пружну стійкість до цього ж фактора: відновлення угруповань степових екосистем після пожежі відбувається протягом кількох сезонів, натомість повне відновлення лісової екосистеми може тривати багато десятиліть (рис. 54.1).

Приклад: вирубка в сосновому лісі в перший рік після зникнення дерев заростає травами й однорічними будяками, потім чагарниками та швидкорослими листяними деревами, які з часом поступово витісняються хвойними. Таку послідовну зміну угруповань на певній території називають сукцесією. Кожне угруповання живих організмів, що існує в цей момент, формує умови для існування наступних угруповань. Сукцесія завершується формуванням стійкої екосистеми, у якій немає внутрішніх передумов для подальших змін (у розглянутих нами прикладах такою екосистемою є ліс). Така дозріла стабільна екосистема має назву клімаксної. Клімаксна екосистема теоретично може існувати необмежено довго, якщо не станеться різкої зміни умов чи природного катаклізму, які зруйнують цю систему та зумовлять початок нової сукцесії. Перетворення озера на болото

Сукцесії бувають первинними й вторинними. Первинні сукцесії – це поява й розвиток рослинних угруповань у місцях, де рослинності раніше не було, наприклад оселення лишайників на скельних породах (рис. 188). Вторинні сукцесії – це відновлення природної рослинності після певних порушень, наприклад відновлення лісів після пожеж (рис. 189).

Дякую за увагу !!!