Организмы и окружающая среда

Партнерка на США и Канаду по недвижимости, выплаты в крипто

30% recurring commission
Выплаты в USDT
Вывод каждую неделю
Комиссия до 5 лет за каждого referral

Данный материал используйте для создания презентации. (9-10 кл.)

Глава 12. Организмы и окружающая среда

12.1. Основы экологии

12.1.1. Экологические системы window. top. document. title = "12.1.1. Экологические системы";

Экология (греч. oikos «дом» + logos «наука») – это наука о взаимоотношении организмов и окружающей среды. Термин «экология» предложил в 1866 году Эрнст Геккель. В настоящее время экология – это междисциплинарная отрасль на стыке биологии, физики, химии, географии и общественных наук.

Экология рассматривает наиболее крупные уровни организации живого: популяции, сообщества и экосистемы. Напомним, что популяцией называется группа организмов одного вида, в достаточной степени изолированная от других групп. Сообщество – это группа организмов различных видов, проживающих на общей территории и взаимодейстующих между собой. Экологическая система (биогеоценоз) – это сообщество организмов с окружающей их абиотической средой (почвой, атмосферой и т. п.).

Рисунок 12.1.1.1.

Коралловый риф – один из примеров экосистемы.

Существуют пять основных подходов в экологии.

популяционная экология (изучение динамики численности популяций и её связи с внешними факторами); синэкология (изучение природных сообществ); изучение местообитаний; изучение экосистем (в частности, круговорота веществ и энергии в природе); эволюционная экология (реконструкция древних природных сообществ и прогнозирование изменений в сообществах), а также историческая экология (изучение изменений, связанных с деятельностью человека).

В экологическую систему входят абиотические (то есть неживые) и биотические компоненты. Иногда абиотические компоненты биогеоценоза называют биотопом, а биотические – биоценозом. Почву, относящуюся к абиотическим компонентам, нередко рассматривают как отдельную структурную единицу экосистемы.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Биотопы объединяются в биохоры, а последние – в биоциклы. Так, биотопы каменистых, глинистых и песчаных пустынь объединяются в биохор пустынь; биохоры пустынь, лесов и степей объединяются в биоцикл суши. Три биоцикла: суша, море и внутренние водоёмы – образуют биосферу.

Одним из важнейших экологических понятий является поток энергии. Энергия приходит в экологические системы в конечном счёте от Солнца; при этом автотрофы используют непосредственно солнечный свет, а гетеротрофы получают от автотрофов уже преобразованную энергию в виде питательных веществ. За год одним квадратным метром земной поверхности (и растениями на нём) поглощается около 5 · 109 Дж тепла. Большая часть энергии сразу отражается обратно в атмосферу, часть усваивается организмами и переходит в другие формы. При этом какая-то доля энергии также переизлучается в атмосферу в виде тепла.

")//-->

Глава 12. Организмы и окружающая среда

12.1. Основы экологии

12.1.2. Пищевые цепи и экологические пирамиды window. top. document. title = "12.1.2. Пищевые цепи и экологические пирамиды";

Внутри экологической системы органические вещества создаются автотрофными организмами (например, растениями). Растения поедают животные, которых, в свою очередь, поедают другие животные. Такая последовательность называется пищевой цепью; каждое звено пищевой цепи называется трофическим уровнем (греч. trophos «питание»).

Рисунок 12.1.2.1.

Поток энергии через типичную пищевую цепь.

Организмы первого трофического уровня называются первичными продуцентами. На суше большую часть продуцентов составляют растения лесов и лугов; в воде это, в основном, зелёные водоросли. Кроме того, производить органические вещества могут синезелёные водоросли и некоторые бактерии.

Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами, третьего трофического уровня – вторичными консументами и т. д. Первичные консументы – это травоядные животные (многие насекомые, птицы и звери на суше, моллюски и ракообразные в воде) и паразиты растений (например, паразитирующие грибы). Вторичные консументы – это плотоядные организмы: хищники либо паразиты. В типичных пищевых цепях хищники оказываются крупнее на каждом уровне, а паразиты – мельче.

Существует ещё одна группа организмов, называемых редуцентами. Это сапрофиты (обычно, бактерии и грибы), питающиеся органическими остатками мёртвых растений и животных (детритом). Детритом могут также питаться животные – детритофаги, ускоряя процесс разложения остатков. Детритофагов, в свою очередь, могут поедать хищники. В отличие от пастбищных пищевых цепей, начинающихся с первичных продуцентов (то есть с живого органического вещества), детритные пищевые цепи начинаются с детрита (то есть с мёртвой органики).

Рисунок 12.1.2.2.

Пример пищевой сети.

Рисунок 12.1.2.3.

Упрощённый вариант экологической пирамиды.

В схемах пищевых цепей каждый организм представлен питающимся организмами какого-то определённого типа. Действительность намного сложнее, и организмы (особенно, хищники) могут питаться самыми разными организмами, даже из различных пищевых цепей. Таким образом, пищевые цепи переплетаются, образуя пищевые сети.

Пищевые сети служат основой для построения экологических пирамид. Простейшими из них являются пирамиды численности, которые отражают количество организмов (отдельных особей) на каждом трофическом уровне. Для удобства анализа эти количества отображаются прямоугольниками, длина которых пропорциональна количеству организмов, обитающих в изучаемой экосистеме, либо логарифму этого количества. Часто пирамиды численности строят в расчёте на единицу площади (в наземных экосистемах) или объёма (в водных экосистемах).

В пирамидах численности дерево и колосок учитываются одинаково, несмотря на их различную массу. Поэтому более удобно использовать пирамиды биомассы, которые рассчитываются не по количеству особей на каждом трофическом уровне, а по их суммарной массе. Построение пирамид биомассы – более сложный и длительный процесс.

Рисунок 12.1.2.4.

Слева изображена прямая пирамида биомасс, справа – перевёрнутая.

Рисунок 12.1.2.5.

Пример сезонного изменения в пирамиде биомассы.

Пирамиды биомассы не отражают энергетической значимости организмов и не учитывают скорость потребления биомассы. Это может приводить к аномалиям в виде перевёрнутых пирамид. Выходом из положения является построение наиболее сложных пирамид – пирамид энергии. Они показывают количество энергии, прошедшее через каждый трофический уровень экосистемы за определённый промежуток времени (например, за год – чтобы учесть сезонные колебания). В основание пирамиды энергии часто добавляют прямоугольник, показывающий приток солнечной энергии. Пирамиды энергии позволяют сравнивать энергетическую значимость популяций внутри экосистемы. Так, доля энергии, проходящей через почвенных бактерий, несмотря на их ничтожную биомассу, может составлять десятки процентов от общего потока энергии, проходящего через первичных консументов.

Органическое вещество, производимое автотрофами, называется первичной продукцией. Скорость накопления энергии первичными продуцентами называется валовой первичной продуктивностью, а скорость накопления органических веществ – чистой первичной продуктивностью. ВПП примерно на 20 % выше, чем ЧПП, так как часть энергии растения тратят на дыхание. Всего растения усваивают около процента солнечной энергии, поглощённой ими.

Рисунок 12.1.2.6.

Поток энергии через пастбищную пищевую цепь. Все цифры даны в кДж/м2·год.

При поедании одних организмов другими вещество и пища переходят на следующий трофический уровень. Количество органического вещества, накопленного гетеротрофами, называется вторичной продукцией. Поскольку гетеротрофы дышат и выделяют непереваренные остатки, в каждом звене часть энергии теряется. Это накладывает существенное ограничение на длину пищевых цепей; количество звеньев в них редко бывает больше 6. Отметим, что эффективность переноса энергии от одних организмов к другим значительно выше, чем эффективность производства первичной продукции. Средняя эффективность переноса энергии от растения к животному составляет около 10 %, а от животного к животному – 20 %. Обычно растительная пища энергетически менее ценна, так как в ней содержится большое количество целлюлозы и древесины, не перевариваемых большинством животных.

Изучение продуктивности экосистем важно для их рационального использования. Эффективность экосистем может быть повышена за счёт повышения урожайности, уменьшения помех со стороны других организмов (например, сорняков по отношению к сельскохозяйственным культурам), использования культур, более приспобленных к условиям данной экосистемы. По отношению к животным необходимо знать максимальный уровень добычи (то есть количество особей, которые можно изъять из популяции за определённый промежуток времени без ущерба для её дальнейшей продуктивности).

")//-->

Глава 12. Организмы и окружающая среда

12.2. Экология сообществ и популяций

12.2.2. Отношения между популяциями window. top. document. title = "12.2.2. Отношения между популяциями";

Отдельные популяции в природном сообществе находятся в тесном взаимодействии друг с другом, поэтому так важно изучение популяционной динамики различных видов вместе. Рассмотрим наиболее частые формы отношений, возникающих между популяциями.

Если организмы находятся на одном трофическом уровне, то между ними часто возникает межвидовая конкуренция за пищу (иногда и за территорию). Со временем чередование последовательных идиоадаптаций может привести к тому, что каждый вид в пределах одного трофического уровня будет занимать свою нишу, и конкуренция будет сведена к минимуму. В других случаях может быть достигнуто равновесие, когда ни один из видов не будет развиваться столь же успешно, как в отсутствие конкурента. Наконец, может возникнуть ситуация, когда один из видов будет полностью подавлен другим; в этом и заключается конкурентное исключение.

Интересным примером межвидовой конкуренции у растений и бактерий является аллелопатия. Оказалось, что некоторые организмы способны выделять в окружающую среду (например, в почву или в воздух) химические вещества (алколоиды, терпены), подавляющие развитие конкурентов.

Рисунок 12.2.2.1.

Волки загоняют лося.

Рисунок 12.2.2.2.

Колебания численности популяций хищника и его жертвы.

Модель 11.3. Кролики и капуста.

Модель 11.2. Кролики и волки.

Популяции, находящиеся на разных трофических уровнях, могут вступать во взаимоотношения хищник–жертва. Во многих случаях циклические колебания численности популяции хищника сдвинуты по фазе по отношению к колебаниям численности популяции жертвы. Это можно объяснить тем, что возрастание численности хищника приводит к резкому снижению численности жертвы, вслед за чем в результате голода уменьшается количество хищников. Это позволяет снова вырасти числу жертв, вслед за чем начинает расти количество хищников. Характерный период таких циклов обычно составляет несколько поколений.

Рисунок 12.2.2.3.

Мимикрия. Слева – гусеница, имитирующая сучок растения. Справа – бабочка вице-король повторяет форму и окраску крыльев ядовитой бабочки-монарха.

Некоторые организмы несъедобны для их потенциальных хищников (так, ряд бабочек ядовиты для птиц). Часто эти организмы имеют яркую предупреждающую окраску; хищники избегают охотиться на окрашенных таким образом жертв. В качестве примера предупреждающей окраски можно привести некоторых бабочек и жуков. Этим пользуются другие, уже неядовитые организмы, подражающие своей окраской ядовитым видам. Другие животные подражают различным объектам растительного или животного мира или даже каким-либо минералам. Подражание другим объектам с целью защиты от врагов (мимикрия) широко распространённое среди насекомых, встречается и среди многих других групп животных (например, у некоторых неядовитых змей). Как правило, численность моделей особей должна быть значительно выше, чем численность подражателей, главным образом для того, чтобы хищники быстро научились избегать ядовитых форм. Существует также кольцо мимикрии, когда несколько несъедобных для хищников видов имеют схожую окраску (например, различные виды ос) с тем, чтобы враги, выработав соответствующий рефлекс на один вид, не трогали и особей других видов.

Симбиозом (мутуализмом) называется форма отношений между организмами двух разных видов, приносящая обоюдную пользу. Иногда симбиотические взаимооотношения настолько важны, что гибель одного организма неизбежно ведёт к гибели другого. В других случаях организмы способны существовать и отдельно друг от друга, правда, не столь успешно. Среди известных примеров симбиоза можно привести лишайники, сожительство рака-отшельника и актинии, симбиоз бактерий, переваривающих целлюлозу, и жвачных, взаимоотношения мурьвьев и тлей, которых они «пасут», получая взамен сладкие продукты выделения, рыбы-«санитары» и птицы-«санитары», уничтожающие паразитов на коже крупных млекопитающих и рыб. Важными примерами симбиоза является совместное существование грибов и деревьев, насекомых и цветковых растений.

Рисунок 12.2.2.4.

Симбиоз. Слева направо: мурена и креветка, муравьи и тли.

Если совместное проживание выгодно только одному из организмов, но безразлично для другого, то такую форму отношений называют комменсализмом. Комменсализм обычно связан с поиском пищи или необходимого укрытия. Примером комменсализма является сосуществование некоторых мелких рыб с крупными актиниями. Рыбки нечувствительны к стрекательным нитям актинии и «подбирают» остатки пищи между щупальцами, а актинии невольно обеспечивают этим рыбкам защиту. Очень часто комменсалами являются бактерии и простейшие, живущие в кишечнике и на поверхности более крупных организмов.

Рисунок 12.2.2.5.

Примеры комменсализма. Слева направо: рыба-клоун и актиния, цапли и буйвол.

Встречаются, однако, и ситуации, когда организм, обитающий на другом организме, приносит ему ощутимый вред. Такую форму сожительства называют паразитизмом. Паразит получает пищу либо из тканей хозяина, либо из переваренной им пищи. Паразиты могут разрушать ткани хозяина, выделять в его организм ядовитые вещества (продукты выделения паразитов, разложения остатков самих паразитов либо токсины). Некоторые паразиты живут в теле хозяина всю жизнь, другие попадают в него лишь на определённое время, необходимое, например, для размножения или роста. Некоторые паразиты вызывают гибель хозяина, другие способны существовать в теле хозяина долгое время, не причиняя ему серьёзного вреда.

Рисунок 12.2.2.6.

Паразитические формы сосуществования. Слева направо: вьющиеся лианы, платяная вошь.

Переход к паразитическому образу жизни обычно сопровождается дегенерацией. Утрачиваются органы пищеварения, органы чувств, теряется подвижность. У паразитов изменяется форма тела, развиваются разнообразные крючья и присоски. Жизненный цикл паразитов сопряжён с огромной смертностью; следствием этого является повышенная способность к размножению (иногда измеряемая в миллионах особей в год). К паразитам относятся многие болезнетворные бактерии и простейшие, некоторые грибы, вьющиеся лианы; паразитические формы имеются среди представителей большинства типов животных.

")//-->

window. top. document. title = "Модель 12.3. Кролики и капуста"; Глава 12. Организмы и окружающая среда

Модель 12.3. Кролики и капуста

Модели не доступны в Интернет-версии продукта

Интерактивная модель демонстрирует законы роста двух популяций, одна из которых представляет собой растительноядных животных (кроликов), а другая – поедаемые ими растения (капусту). В правом верхнем окне схематически показано поле, на котором «живут» кролики и капуста. Нажав кнопку «Старт» вы можете увидеть, что кролики начинают двигаться; найдя капусту, кролик «съедает» её. Зависимость численности кроликов от времени можно наблюдать на графике в левой нижней части модели. Расчёт численности кроликов производится на основе дифференциальных уравнений роста популяции.

Три поля численного ввода в левой части модели позволяют изменить её начальные параметры: начальное количество кроликов, скорости воспроизводства кроликов и капусты. Обратите внимание, что при сбалансированном начальном количестве кроликов и капусты обе популяции способны существовать достаточно длительное время.

Данная модель является чрезвычайно упрощённым и схематичным представлением отношений в природном сообществе. В реальных условиях отдельные пищевые цепи переплетаются, складываясь в пищевые сети. На численность и кроликов, и капусты оказывают влияние заболевания, погодные условия, взаимодействия с другими популяциями, деятельность человека.

Кнопка «Стоп» приостанавливает анимацию. Кнопка «Сброс» возвращает модель в исходное состояние.

Глава 12. Организмы и окружающая среда

Модель 12.2. Волки и кролики

Модели не доступны в Интернет-версии продукта

Интерактивная модель демонстрирует законы роста двух популяций, одна из которых представляет собой хищников (волков), а другая – их жертв (кроликов). В правом верхнем окне схематически показано поле, на котором «живут» волки и кролики. Нажав кнопку «Старт» вы можете увидеть, что волки начинают двигаться; встретив кролика, волк его «съедает». Текущая численность волков и кроликов отображается на диаграмме в центре модели; количество волков и кроликов пропорционально высоте соответствующих столбцов. Эту же зависимость от времени можно наблюдать на графиках в правой части модели. Расчёт численности волков и кроликов проводится на основе дифференциальных уравнений роста популяций.

Четыре поля численного ввода в левой части модели позволяют изменить её начальные параметры: начальное количество волков и кроликов, а также скорость рождения этих животных. Обратите внимание, что при сбалансированном начальном количестве волков и кроликов, обе популяции способны существовать достаточно длительное время, а их численность сменяется волнами, одна из которых опережает другую.

Данная модель является чрезвычайно упрощённым и схематичным представлением отношений в природном сообществе. В реальных условиях отдельные пищевые цепи переплетаются, складываясь в пищевые сети. На численность и волков, и кроликов оказывают влияние эпидемии, погодные условия, взаимодействия с другими популяциями, деятельность человека.

Кнопка «Стоп» приостанавливает анимацию. Кнопка «Сброс» возвращает модель в исходное состояние.

")//-->

БАЗОВЫЙ УРОВЕНЬ

Изучение биологии на базовом уровне среднего (полного) общего образования направлено на достижение следующих целей:

освоение знаний

овладение умениями

развитие

воспитание

использование

ОБЯЗАТЕЛЬНЫЙ МИНИМУМ СОДЕРЖАНИЯ ОСНОВНЫХ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММ

Биология как наука. методы научного познания

Объект изучения биологии – живая природа. Отличительные признаки живой природы: уровневая организация и эволюция. Основные уровни организации живой природы. Роль биологических теорий, идей, гипотез в формировании современной естественнонаучной картины мира. Методы познания живой природы.

Клетка

Развитие знаний о клетке (Р. Гук, Р. Вирхов, К. Бэр, М. Шлейден и Т. Шванн)*. Клеточная теория. Роль клеточной теории в становлении современной естественнонаучной картины мира.

Химический состав клетки. Роль неорганических и органических веществ в клетке и организме человека.

Строение клетки. Основные части и органоиды клетки, их функции; доядерные и ядерные клетки. Вирусы – неклеточные формы. Строение и функции хромосом. ДНК – носитель наследственной информации. Значение постоянства числа и формы хромосом в клетках. Ген. Генетический код.

Проведение биологических исследований: наблюдение клеток растений и животных под микроскопом на готовых микропрепаратах и их описание; сравнение строения клеток растений и животных; приготовление и описание микропрепаратов клеток растений.

Организм

Организм – единое целое. Многообразие организмов.

Обмен веществ и превращения энергии – свойства живых организмов.

Деление клетки – основа роста, развития и размножения организмов. Половое и бесполое размножение.

Оплодотворение, его значение. Искусственное оплодотворение у растений и животных.

Индивидуальное развитие организма (онтогенез). Причины нарушений развития организмов. Индивидуальное развитие человека. Репродуктивное здоровье. Последствия влияния алкоголя, никотина, наркотических веществ на развитие зародыша человека.

Наследственность и изменчивость – свойства организмов. Генетика – наука о закономерностях наследственности и изменчивости. Г. Мендель – основоположник генетики. Генетическая терминология и символика. Закономерности наследования, установленные Г. Менделем. Хромосомная теория наследственности. Современные представления о гене и геноме.

Наследственная и ненаследственная изменчивость. Влияние мутагенов на организм человека. Значение генетики для медицины и селекции. Наследственные болезни человека, их причины и профилактика. Селекция. Вавилова о центрах многообразия и происхождения культурных растений. Основные методы селекции: гибридизация, искусственный отбор.

Биотехнология, ее достижения. Этические аспекты развития некоторых исследований в биотехнологии (клонирование человека).

Проведение биологических исследований: выявление признаков сходства зародышей человека и других млекопитающих как доказательство их родства, источников мутагенов в окружающей среде (косвенно) и оценка возможных последствий их влияния на собственный организм; составление простейших схем скрещивания; решение элементарных генетических задач; анализ и оценка этических аспектов развития некоторых исследований в биотехнологии.

Вид

История эволюционных идей. Значение работ К. Линнея, учения , эволюционной теории Ч. Дарвина. Роль эволюционной теории в формировании современной естественнонаучной картины мира. Вид, его критерии. Популяция - структурная единица вида, единица эволюции. Движущие силы эволюции, их влияние на генофонд популяции. Синтетическая теория эволюции. Результаты эволюции. Сохранение многообразия видов как основа устойчивого развития биосферы.

Гипотезы происхождения жизни. Отличительные признаки живого. Усложнение живых организмов на Земле в процессе эволюции. Гипотезы происхождения человека. Эволюция человека.

Проведение биологических исследований: описание особей вида по морфологическому критерию; выявление приспособлений организмов к среде обитания; анализ и оценка различных гипотез происхождения жизни и человека.

Экосистемы

Экологические факторы, их значение в жизни организмов. Видовая и пространственная структура экосистем. Пищевые связи, круговорот веществ и превращения энергии в экосистемах. Причины устойчивости и смены экосистем.

Биосфера – глобальная экосистема. Вернадского о биосфере. Роль живых организмов в биосфере. Эволюция биосферы. Глобальные экологические проблемы и пути их решения. Последствия деятельности человека в окружающей среде. Правила поведения в природной среде.

Проведение биологических исследований: выявление антропогенных изменений в экосистемах своей местности; составление схем передачи веществ и энергии (цепей питания); сравнительная характеристика природных экосистем и агроэкосистем своей местности; исследование изменений в экосистемах на биологических моделях (аквариум); решение экологических задач; анализ и оценка последствий собственной деятельности в окружающей среде, глобальных экологических проблем и путей их решения.

ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ПОДГОТОВКИ ВЫПУСКНИКОВ

В результате изучения биологии на базовом уровне ученик должен

знать/понимать

основные положения

строение биологических объектов:

сущность биологических процессов:

вклад выдающихся ученых

биологическую терминологию и символику;

уметь

объяснять:

решать

описывать